થર્મોડાયનેમિક્સનો અભ્યાસ કરો 5. થર્મોડાયનેમિક્સના નિયમો અને તેમના વર્ણન

લેખની સામગ્રી

થર્મોડાયનેમિક્સ,એપ્લાઇડ ફિઝિક્સ અથવા સૈદ્ધાંતિક થર્મલ એન્જિનિયરિંગની એક શાખા જે ગતિના રૂપાંતરણનો અને તેનાથી વિપરીત અભ્યાસ કરે છે. થર્મોડાયનેમિક્સ માત્ર ગરમીના વિતરણને જ નહીં, પરંતુ પદાર્થ દ્વારા ગરમીના શોષણ સાથે સંકળાયેલા ભૌતિક અને રાસાયણિક ફેરફારો, તેમજ તેનાથી વિપરીત, ભૌતિક અને રાસાયણિક પરિવર્તન દરમિયાન ગરમીના પ્રકાશનને પણ ધ્યાનમાં લે છે.

ભૌતિક રસાયણશાસ્ત્રમાં થર્મોડાયનેમિક્સનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે અને રાસાયણિક ભૌતિકશાસ્ત્રભૌતિક વિશ્લેષણ કરતી વખતે અને રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ, વી આધુનિક શરીરવિજ્ઞાનઅને જીવવિજ્ઞાન, એન્જિન બિલ્ડિંગમાં, હીટ એન્જિનિયરિંગ, ઉડ્ડયન અને રોકેટ અને અવકાશ ટેકનોલોજી. શરૂઆતમાં, થર્મોડાયનેમિક્સમાં ખૂબ ધ્યાન આપવામાં આવ્યું હતું ઉલટાવી શકાય તેવી પ્રક્રિયાઓઅને સંતુલન જણાવે છે, તેથી "થર્મોસ્ટેટિક્સ" નામ તેના માટે વધુ યોગ્ય લાગતું હતું, પરંતુ એસ. આર્હેનિયસ (1859-1927) અને જી. આયરિંગ (1901-1981) માટે આભાર, રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ (રાસાયણિક ગતિશાસ્ત્ર) ના દરના વિશ્લેષણ માટે તેનો ઉપયોગ ) ખૂબ જ સંપૂર્ણ વિકાસ પ્રાપ્ત થયો. હાલમાં મુખ્ય સમસ્યાથર્મોડાયનેમિક્સમાં તેની એપ્લિકેશન છે ઉલટાવી શકાય તેવી પ્રક્રિયાઓ, અને ઉલટાવી શકાય તેવી પ્રક્રિયાઓના થર્મોડાયનેમિક્સ સાથે કવરેજની પહોળાઈમાં તુલનાત્મક સિદ્ધાંતના નિર્માણમાં પહેલેથી જ મોટી પ્રગતિ થઈ છે.

એનર્જી

ભૌતિક જથ્થા માટે જેને આપણે હવે ઊર્જા કહીએ છીએ, લાંબા સમય સુધીઆઇ. ન્યૂટન (1643-1727) દ્વારા રજૂ કરવામાં આવેલ "જીવંત બળ" શબ્દનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. પરંતુ ત્યારથી " માનવશક્તિ"સામાન્ય બળ સાથે ભેળસેળ થઈ શકે છે, બાદમાં કહેવાનું હતું" મૃત બળ", જેને સફળ ગણી શકાય નહીં. ખાસ શબ્દ "ઊર્જા" 1807 માં ટી. જંગ (1773–1829) દ્વારા રજૂ કરવામાં આવ્યો હતો.

એક પ્રકારની ઉર્જા એ કાર્ય છે, જે ચોક્કસ બળની ક્રિયાને વટાવીને શરીરની ગતિવિધિઓ પર કરવામાં આવે છે. એક ઉદાહરણ પાણીના ટાવરમાં પાણી પમ્પ કરવાનું હશે. ટાવરના પાણીમાં સંભવિત ઊર્જા હોવાનું કહેવાય છે. માટે આભાર ગુરુત્વાકર્ષણ આકર્ષણપૃથ્વી પર શક્યતા છે વ્યસ્ત રૂપાંતરઆ ઉર્જા ગતિમાં ફેરવાય છે, એટલે કે. પાઈપોમાંથી વહેતા પાણીની હિલચાલની ઊર્જામાં. જ્યારે આંતરિક ઘર્ષણ અથવા સ્નિગ્ધતાને કારણે પાઇપમાં પાણી આખરે બંધ થઈ જાય છે, ત્યારે આ ઊર્જા ગરમીમાં રૂપાંતરિત થાય છે, એટલે કે. થર્મલ ઉર્જા જે વિખેરાઈ જાય છે પર્યાવરણ.

1620 માં પાછા, એફ. બેકને સૂચવ્યું કે ગરમી એ હલનચલનનું એક બીજું સ્વરૂપ છે, પરંતુ માત્ર 1789 માં બી. થોમ્પસન (રમફર્ડ) દ્વારા તોપના બેરલને ડ્રિલ કરતી વખતે ગરમીના પ્રકાશનનું અવલોકન કરીને નિશ્ચિતતા સાથે તેની સ્થાપના કરવામાં આવી હતી. એચ. ડેવી 1799 ના પ્રયોગો દ્વારા વધારાની પુષ્ટિ આપવામાં આવી હતી.

આ પ્રયોગો અને અવલોકનો સૂચવે છે કે થર્મલ અને યાંત્રિક ઊર્જા એક અને સમાન છે અને તે પ્રાયોગિક રીતે ગરમીની યાંત્રિક સમકક્ષ શોધવાનું સંભવ છે, એટલે કે. માં કામ જથ્થો યાંત્રિક એકમો, સમકક્ષ આપેલ જથ્થોથર્મલ એકમોમાં ગરમી.

ગરમીની યાંત્રિક સમકક્ષ.

મેડીકલ ફ્લાસ્કમાં પાણીનું તાપમાન વધી જાય છે તે જોતાં, 1842માં યુ મેયરે હવાની વિશિષ્ટ ઉષ્મા ક્ષમતામાં તફાવતથી ગરમીના યાંત્રિક સમકક્ષની ગણતરી કરી. સતત દબાણઅને સતત વોલ્યુમ. તે સમયે ચોક્કસ મૂલ્યોઆ ચોક્કસ ઉષ્મા ક્ષમતાઓ હજુ સુધી જાણીતી ન હતી, અને તેથી તેનું પરિણામ સંપૂર્ણ રીતે સાચું ન હતું, જો કે તીવ્રતાના ક્રમમાં સાચું હતું. 1845 માં, જે. જૌલે યાંત્રિક કાર્યને થર્મલ ઊર્જામાં રૂપાંતરિત કરતી વખતે મેળવેલી ગરમીની માત્રાને સચોટ રીતે માપી અને મેયરના પરિણામને શુદ્ધ કર્યું.

જોબ.

જો કોઈ ચોક્કસ પદાર્થ બાહ્ય બળના મર્યાદિત પ્રભાવ હેઠળ હોય, ઉદાહરણ તરીકે વાતાવરણીય દબાણ પી, પછી જ્યારે તેનું વોલ્યુમ બદલાય છે વી, વિસ્તરણ કહો, વિરુદ્ધ ચળવળને કારણે અભિનય બળકામ કરવામાં આવી રહ્યું છે. ફિગમાં બતાવ્યા પ્રમાણે, કરવામાં આવેલ કુલ કાર્ય બળના ક્ષેત્ર વિરુદ્ધ અનુરૂપ કદ તરીકે શોધી શકાય છે. 1, જ્યાં રીટચ દ્વારા પ્રકાશિત થયેલ વિસ્તારનો વિસ્તાર ગેસ દ્વારા વિસ્તરણ દરમિયાન કરવામાં આવેલ કાર્યનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે વી 1 થી વી 2. તે નક્કી કરવાની આ પદ્ધતિ જરૂરી છે કારણ કે દબાણ બદલાઈ શકે છે. વોલ્યુમમાં નાના ફેરફાર સાથે, દબાણ વધુ બદલાશે નહીં, તેથી કરવામાં આવેલ કામની નાની રકમ સમાન હશે:

તેથી, કુલ કામ કર્યું

જ્યારે ગેસ ઝડપથી સંકુચિત થાય છે, ત્યારે તેના પર કરવામાં આવેલ કેટલાક કાર્ય તેના તાપમાનમાં નોંધપાત્ર વધારો કરી શકે છે. જો ગેસ થર્મલી ઇન્સ્યુલેટેડ વાસણમાં હોય (અથવા એટલી ઝડપથી સંકુચિત થાય છે કે તેની પાસે તેની ગરમી ઓછામાં ઓછી આંશિક રીતે છોડી દેવાનો સમય નથી), તો વોલ્યુમમાં આવા ફેરફારને એડિબેટિક કહેવામાં આવે છે. જો ગેસ થર્મલી ઇન્સ્યુલેટેડ ન હોય, તો હીટ ટ્રાન્સફર થાય છે અને ગેસ આસપાસના તાપમાનને જાળવી રાખે છે. વોલ્યુમમાં આ ફેરફારને આઇસોથર્મલ કહેવામાં આવે છે.

ઊર્જાની "ઉપયોગિતા".

સંપૂર્ણ પરિવર્તનગરમીમાં કામ કરવું તદ્દન શક્ય છે, પરંતુ બધી ગરમીને તેના સમકક્ષ કાર્યમાં રૂપાંતરિત કરવાની વિપરીત પ્રક્રિયા અશક્ય છે. ફ્રેન્ચ ભૌતિકશાસ્ત્રી એન. કાર્નોટ (1796-1832) સૈદ્ધાંતિક તર્ક દ્વારા 1824 માં આ નિષ્કર્ષ પર પાછા આવ્યા હતા. હીટ એન્જિનમાં કામ કરતા પ્રવાહીમાં ઉલટાવી શકાય તેવા ફેરફારોના સંપૂર્ણ ચક્રને ધ્યાનમાં લેતા, જેના અંતે આ શરીર તેની મૂળ સ્થિતિમાં પાછું આવે છે, તેણે બતાવ્યું કે મહત્તમ કાર્યક્ષમતાકામમાં ગરમીનું રૂપાંતર કાર્યકારી પ્રવાહીની પ્રકૃતિ પર આધારિત નથી, પરંતુ માત્ર મહત્તમ તાપમાન કે જેના પર ગરમી પૂરી પાડવામાં આવે છે અને લઘુત્તમ તાપમાન કે જેના પર તેને દૂર કરવામાં આવે છે તેના પર આધાર રાખે છે. કામમાં ગરમીનું સંપૂર્ણ રૂપાંતર ત્યારે જ શક્ય બનશે જો લઘુત્તમ તાપમાન નિરપેક્ષ શૂન્ય જેટલું હોય, જેમાં કાર્યકારી પ્રવાહીકોઈ થર્મલ ઊર્જા હશે.

સંપૂર્ણ શૂન્યનું અસ્તિત્વ વાયુઓના વિસ્તરણના કાયદા દ્વારા સૂચવવામાં આવે છે. જ્યારે 0 થી - 1 ° સે સુધી ઠંડું કરવામાં આવે છે, ત્યારે વાયુઓ 1/273 દ્વારા સંકુચિત થાય છે, કોઈ એક પ્રકારના "આદર્શ" ગેસની કલ્પના કરી શકે છે જે વાસ્તવિક વાયુઓની જેમ ઘટ્ટ થતો નથી, પરંતુ તેનું પ્રમાણ શૂન્ય સુધી ઘટે ત્યાં સુધી ઘટતા તાપમાન સાથે સંકુચિત કરવાનું ચાલુ રાખે છે. તાપમાન - 273 ° સે. તે હશે સંપૂર્ણ શૂન્યહીટ એન્જિન માટેનું તાપમાન કે જેનું કાર્યકારી પ્રવાહી આદર્શ ગેસ છે. વધુ જટિલ તર્ક હાથ ધર્યા પછી, ડબલ્યુ. થોમસન (કેલ્વિન) (1824-1907) એ સાબિત કર્યું કે આ ખરેખર સંપૂર્ણ શૂન્ય તાપમાન છે, અને તેમના નામ પરથી "થર્મોડાયનેમિક" તાપમાન સ્કેલ રજૂ કર્યું. ટી(કેલ્વિન સ્કેલ), જે મુજબ ટી = 273,16 + t°C

થર્મોડાયનેમિક્સનો પ્રથમ નિયમ.

મશીન દ્વારા કરવામાં આવતા ઉપયોગી કાર્યનું માપ એ વિસ્તારનો તફાવત છે (ફિગ. 3, એઅને b), ફિગમાં બતાવેલ છે. 3, વી. તે કલ્પના કરવી મુશ્કેલ નથી કે વોલ્યુમમાં આપેલ ફેરફાર માટે, વિસ્તારના આ તફાવતને વધારીને વધારી શકાય છે ટી 1, અથવા ઘટાડીને ટી 2. જો તાપમાન ટી 1 નિશ્ચિત છે (જેનો અર્થ એ છે કે ગરમીના ઇનપુટની કુલ રકમ નિશ્ચિત છે), પછી મશીન દ્વારા ઉત્પાદિત કાર્ય માત્ર ઘટાડીને વધારી શકાય છે. ટી 2. આ ખાસ કરીને ફિગમાં પ્રસ્તુત "મોલિયર ડાયાગ્રામ" (તાપમાનનો આલેખ - એન્ટ્રોપી સંબંધ) દ્વારા સ્પષ્ટપણે દર્શાવવામાં આવ્યું છે. 3, જી. અહીં, પણ, ઉપયોગી કાર્ય ફાળવેલ વિસ્તારના પ્રમાણસર છે; ગરમીનું ઇનપુટ વિસ્તાર દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે ટી 1 ડી એસ, અને તેનો ભાગ લંબચોરસના વિસ્તારને અનુરૂપ છે ટી 2ડી એસ, "નકામું" કામ કરવાના અર્થમાં. આમ, તાપમાન ગમે તે હોય ટી 1, નિરપેક્ષ શૂન્યથી અલગ, સપ્લાય કરેલ ગરમીનો અમુક ભાગ કામમાં રૂપાંતરિત કરી શકાતો નથી.

ઉપરોક્ત વિચારણાઓ કાર્નોટ ફોર્મ્યુલાના વ્યુત્પત્તિ માટેનો આધાર છે, જે હીટર અને રેફ્રિજરેટર વચ્ચેના આપેલ તાપમાનના તફાવત પર કાર્યરત આદર્શ હીટ એન્જિનની મહત્તમ સંભવિત કાર્યક્ષમતા આપે છે:

વાસ્તવિક મશીન આવી કાર્યક્ષમતા સાથે કામ કરી શકતું નથી, કારણ કે ઘર્ષણ અને ગરમીનું લિકેજ અનિવાર્ય છે. સ્ટીમ એન્જિન ઓપરેટ કરવા માટે, ઉદાહરણ તરીકે, 130° C (403 K) ના બોઈલર તાપમાન અને 30° C (303 K) ના કન્ડેન્સર તાપમાન પર, થર્મોડાયનેમિક કાર્યક્ષમતા 100/403 છે, એટલે કે. 25% કરતા ઓછા.

રેફ્રિજરેટર ચક્ર.

કારણ કે કાર્નોટ ચક્રમાં કાર્યકારી પ્રવાહી તેની મૂળ સ્થિતિમાં પાછું આવે છે, કોઈ વિપરીત હીટ એન્જિનની કલ્પના કરી શકે છે. જો પ્રત્યક્ષ ચક્રમાં હીટરથી રેફ્રિજરેટરમાં ગરમીના સ્થાનાંતરણનો ઉપયોગ કામ મેળવવા માટે કરવામાં આવે છે, તો પછી વિપરીત ચક્રમાં, યાંત્રિક કાર્યના પ્રભાવને લીધે, ગરમી રેફ્રિજરેટરમાંથી હીટરમાં સ્થાનાંતરિત થાય છે, જેથી રેફ્રિજરેટર બને છે. વધુ ઠંડું, અને હીટર વધુ ગરમ બને છે. આ રેફ્રિજરેશન મશીનનું ચક્ર છે (ઉદાહરણ તરીકે, રેફ્રિજરેટર્સ અને એર કંડિશનરમાં વપરાય છે): ઘરના રેફ્રિજરેટરની ઇલેક્ટ્રિક મોટર દ્વારા કરવામાં આવતી કામગીરીનો ઉપયોગ આસપાસની હવાને ગરમ કરીને રેફ્રિજરેટરની અંદરના ભાગને ઠંડુ રાખવા માટે થાય છે.

અન્ય હીટ એન્જિન ચક્ર.

વાસ્તવિક હીટ એન્જિનોમાં, આઇસોથર્મલ પ્રક્રિયાઓ સાથેના ચક્રનો ઉપયોગ થતો નથી, કારણ કે આવી પ્રક્રિયાઓમાં ઘણો સમય જરૂરી છે. એડિબેટિક પ્રક્રિયાઓને પ્રાધાન્ય આપવામાં આવે છે, કારણ કે તે ઝડપથી ચાલતા મશીનોમાં વાસ્તવિકતાની નજીક છે. આ ચક્રોમાં સૌથી સરળ ઓટ્ટો ચક્ર છે (ફિગ. 4, એ), જર્મન શોધક અને એન્જિનિયર એન. ઓટ્ટો (1832-1891) ના નામ પરથી નામ આપવામાં આવ્યું છે. આ ચક્રમાં, હીટ ઇનપુટ ગેસનું દબાણ સતત વોલ્યુમ પર વધે છે, અને પછી ઉપયોગી કાર્ય કરવા માટે ગેસ એડિબેટીક રીતે વિસ્તરે છે. આપેલ વોલ્યુમ પર પહોંચ્યા પછી, ગરમી દૂર કરવામાં આવે છે અને કાર્યનો ભાગ ગેસના એડિબેટિક કમ્પ્રેશન પર ખર્ચવામાં આવે છે, જેના પછી ચક્રને પુનરાવર્તિત કરી શકાય છે. કાર્યક્ષમતા કમ્પ્રેશન રેશિયો દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે આર:

જ્યાં g- સતત દબાણ અને સતત વોલ્યુમ પર ગેસની ચોક્કસ ગરમીની ક્ષમતાનો ગુણોત્તર. વધુ આર, વધુ કાર્યક્ષમતા.

ડીઝલ સાયકલ (ફિગ. 4, b)નું નામ જર્મન શોધક આર. ડીઝલ (1858-1913)ના નામ પરથી રાખવામાં આવ્યું છે. આ ચક્રમાં, એડિબેટિક વિસ્તરણ પછી સ્થિર વોલ્યુમ પર ગરમી પણ છોડવામાં આવે છે, પરંતુ સતત દબાણ પર (એડિયાબેટિક સંકોચન પછી) પૂરી પાડવામાં આવે છે. ડીઝલ એન્જિનમાં, ગરમીથી પુરી પાડવામાં આવતી નથી બાહ્ય સ્ત્રોત, અને બળતણના દહન દરમિયાન આંતરિક રીતે ઉત્પન્ન થાય છે, જે મજબૂત સંકોચન હેઠળ સ્વ-સળગે છે. ઉચ્ચ-તાપમાનના વાયુઓને ઠંડુ કરવામાં આવતું નથી, પરંતુ કામ કરે છે અને બહાર કાઢી નાખવામાં આવે છે, તેમને બળતણ અને હવાના ઠંડા મિશ્રણથી બદલીને. યાંત્રિક પરિબળો અને અન્ય અનિવાર્ય ગરમીના નુકસાનના પ્રભાવ સિવાય, સૈદ્ધાંતિક ચક્ર લગભગ સંપૂર્ણપણે પુનઃઉત્પાદિત થાય છે.

ઓછા જાણીતા એટકિન્સન ચક્રમાં (ફિગ. 4, જી) શાખાઓનો ક્રમ એ ડીઝલ ચક્રમાં ક્રમનો વિપરીત છે. માત્ર જુલ ચક્રમાં (ફિગ. 4, વી) ગરમી સતત દબાણે પૂરી પાડવામાં આવે છે અને પૂરી પાડવામાં આવે છે, પરંતુ આ ચક્ર સામાન્ય રીતે ગરમીને કામમાં રૂપાંતરિત કરવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતું નથી; તેનો ઉપયોગ રિવર્સ (રેફ્રિજરેશન) મશીનમાં થાય છે.

ફિગમાં બતાવેલ પ્રકારનું પ્રેશર-વોલ્યુમ ગ્રાફ. 3 અને 4 ને સૂચક ચાર્ટ કહેવામાં આવે છે. તેઓનો ઉપયોગ એન્જિનિયરો દ્વારા એન્જિનની કાર્યક્ષમતાની ગણતરી કરવા માટે કરવામાં આવે છે. ઉદાહરણ તરીકે ફિગમાં. આકૃતિ 5 ચાર-સ્ટ્રોક ગેસોલિન એન્જિનનું સૂચક ડાયાગ્રામ બતાવે છે. કમ્પ્રેશન સ્ટ્રોક પાછળ સીડી, બિંદુથી શરૂ થાય છે સી, ઊભી શાખા પર બળતણ કમ્બશન દ્વારા અનુસરવામાં આવે છે ડી.ઇઅને કામ કરવાની યુક્તિ ઇ.એફ.. બિંદુએ એફએક્ઝોસ્ટ વાલ્વ ખુલે છે જેથી દબાણ વાતાવરણીય દબાણ સુધી ઘટી જાય પી એ, અને એક્ઝોસ્ટ વાયુઓ આડી શાખા અનુસાર એન્જિન સિલિન્ડરમાંથી બહાર કાઢવામાં આવે છે એબી. સાઇટ પર બીў સીએક નવું જ્વલનશીલ મિશ્રણ સિલિન્ડરમાં દાખલ કરવામાં આવે છે, અને ચક્ર સમાપ્ત થાય છે. IN વાસ્તવિક એન્જિનકમ્બશન તરત થતું નથી. જો બિંદુ પર ઇગ્નીશન થાય છે ડી, પછી જ્યોત સિલિન્ડર દ્વારા ફેલાય છે જ્યારે વોલ્યુમ પહેલેથી જ વધવાનું શરૂ થાય છે, અને તેથી મહત્તમ સૈદ્ધાંતિક દબાણ સુધી પહોંચ્યું નથી. ડેશેડ લાઇન દ્વારા બતાવ્યા પ્રમાણે કરવામાં આવેલ કાર્યના પ્રમાણસર વિસ્તારનો નોંધપાત્ર ભાગ ખોવાઈ ગયો છે ડીજી. જો ઇગ્નીશન અદ્યતન છે, ઉદાહરણ તરીકે બિંદુ પર એચ, પછી ડેશેડ લાઇન દ્વારા બતાવ્યા પ્રમાણે, ઉપયોગ કરી શકાય તેવા વિસ્તારનો માત્ર એક નાનો ભાગ જ ખોવાઈ જાય છે HI. આ હકીકત દ્વારા સમજાવવામાં આવે છે કે દબાણ વધે છે, વોલ્યુમ હજુ પણ ઘટતું રહે છે.

થર્મોડાયનેમિક કાર્યો

આંતરિક ઊર્જા.

જ્યારે સિસ્ટમને ચોક્કસ માત્રામાં ગરમી પૂરી પાડવામાં આવે છે d પ્ર, આ ગરમીને કારણે, જેમ કે અગાઉ કાર્નોટ ચક્રના ઉદાહરણનો ઉપયોગ કરીને દર્શાવવામાં આવ્યું હતું, માત્ર ચોક્કસ માત્રામાં કામ કરી શકાય છે. dW, તેથી સિસ્ટમ પ્રાપ્ત થર્મલ ઊર્જાનો ભાગ ગુમાવે છે. આ બે જથ્થાઓ, સામાન્ય રીતે કહીએ તો, સમાન નથી, અને પરિણામે, સિસ્ટમ કાં તો તેમના તફાવતની સમાન ઊર્જા ગુમાવે છે અથવા મેળવે છે. ચાલો ધારીએ કે આ ઊર્જા તફાવત કહેવાતા સ્વરૂપમાં સિસ્ટમમાં રહે છે. આંતરિક ઊર્જા ઇ. પછી બાદમાં થી વધશે ઇમાટે ( ઇ + dE), અને

જ્યાં d પ્રઅને dW- અનંત વધારો.

સામાન્ય રીતે કહીએ તો, વધારો d પ્રઅને dWસ્વતંત્ર નથી (તેથી જ તેઓ અહીં પ્રતીક દ્વારા સૂચવવામાં આવ્યા છે ડીવધારાના વિરોધમાં dE). આમ, ગરમીનું શોષણ સામાન્ય રીતે જથ્થામાં ફેરફાર સાથે હોય છે અને તેથી, બાહ્ય દબાણ સામે કરવામાં આવેલું કાર્ય. તેનાથી વિપરીત, જો વિસ્તરણને મંજૂરી આપવામાં આવે છે, તો તે સામાન્ય રીતે પર્યાવરણમાંથી લેવામાં આવતી ગરમીના શોષણ સાથે હોય છે. વાસ્તવમાં સિસ્ટમ પર લાદવામાં આવેલા કોઈપણ નિયંત્રણો આવી ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને સંપૂર્ણપણે દૂર કરી શકતા નથી, પરંતુ વ્યક્તિ માનસિક રીતે આદર્શ થર્મલ ઇન્સ્યુલેશનની કલ્પના કરી શકે છે ( d પ્ર= 0) અથવા સતત વોલ્યુમની સખત પરિપૂર્ણ સ્થિતિ ( dW= 0), માંની જેમ જ સૈદ્ધાંતિક મિકેનિક્સઆદર્શ રીતે સરળ અને આદર્શ રીતે કઠોર શરીરની વિભાવનાઓ રજૂ કરવામાં આવી છે. માં જ આદર્શ પરિસ્થિતિઓ, જ્યારે d પ્રઅને dWએકબીજાથી સ્વતંત્ર, વધારો d પ્રઅથવા dWકુલ વિભેદક તરીકે ગણી શકાય, જ્યારે તેમનો તફાવત dEહંમેશા છે.

એન્ટ્રોપી.

થર્મલ ઊર્જા d પ્રў , જેને કામમાં રૂપાંતરિત કરી શકાતું નથી, તે નીચલા તાપમાનના પ્રમાણસર છે ટી, જેથી આપણે લખી શકીએ d પ્રў = ટીડીએસ, ક્યાં ડીએસ -એન્ટ્રોપી વધારો એસસિસ્ટમો ગમે છે ઇ, મૂલ્ય એસસિસ્ટમની જ એક લાક્ષણિકતા છે, અને તેથી અમે તેની વૃદ્ધિને અક્ષર દ્વારા દર્શાવીએ છીએ ડી, નહીં ડી.

દ્વારા નિયુક્ત dWકામ જે ગરમીનો ઉપયોગ કરીને કરી શકાય છે d પ્ર, તમે લખી શકો છો

જો કાર્યકારી પ્રવાહી, કેટલીક થર્મોડાયનેમિક પ્રક્રિયાના પરિણામે, તેની મૂળ સ્થિતિમાં પાછું આવતું નથી, તો પછી ઊર્જાનો નોંધપાત્ર ભાગ કામ કરવાના દૃષ્ટિકોણથી નકામો હોવાનું બહાર આવે છે, અને આંતરિક ઊર્જા અનુરૂપ દ્વારા વધે છે. તફાવત dE. આંતરિક ઊર્જામાં વધારો ફેરફારોમાં પોતાને પ્રગટ કરી શકે છે શારીરિક સ્થિતિકાર્યકારી પ્રવાહી, ઉદાહરણ તરીકે ઘનમાંથી પ્રવાહી (ગલન) અથવા પ્રવાહીમાંથી ગેસ (બાષ્પીભવન) માં સંક્રમણમાં. આવા થર્મલ ઊર્જાઅનુક્રમે ફ્યુઝનની ગરમી અને બાષ્પીભવનની ગરમી કહેવાય છે. આંતરિક ઊર્જામાં વધારો પણ સાથે સંકળાયેલ હોઈ શકે છે રાસાયણિક ફેરફારો(વિયોજન, બોન્ડ તોડવું) અને અણુ વિભાજન પણ.

એન્થાલ્પી.

જો સિસ્ટમની ઊર્જામાં ફેરફાર સતત દબાણ પર થાય છે, તો પછી, જેમ તે બહાર આવ્યું છે, કાર્ય

તમને વર્ણવતા સમીકરણોને સરળ અને વધુ ભવ્ય સ્વરૂપ આપવા દે છે વિવિધ પ્રક્રિયાઓ. હકીકત એ છે કે સિસ્ટમની સ્થિતિમાં થોડો ફેરફાર સાથે, સમાનતા (1) અને (2) ને કારણે, આપણે લખી શકીએ છીએ

તેથી, જો પ્રક્રિયા સતત દબાણ પર થાય છે ( ડીપી= 0), પછી સમાનતા

ડીએચ = d પ્ર,

તે પૂરી પાડવામાં આવેલ ગરમીની માત્રાને આ રીતે રજૂ કરી શકાય છે સંપૂર્ણ વિભેદકસિસ્ટમની આંતરિક સ્થિતિને દર્શાવતી ચોક્કસ માત્રા. આ જથ્થાને એન્થાલ્પી કહેવામાં આવે છે. પહેલાં, તેને સિસ્ટમની થર્મલ ફંક્શન અથવા ગરમીની સામગ્રી કહેવામાં આવતી હતી.

મફત ઊર્જા.

ઇસોથર્મલ પરિસ્થિતિઓ હેઠળ ( ડીટી= 0) કરતાં વધુ એચ, અન્ય થર્મોડાયનેમિક કાર્ય અનુકૂળ છે:

એન્થાલ્પીના કિસ્સામાં સમાન ગણતરીઓ આપે છે dF = dW. અગાઉ મૂલ્ય એફહેલ્મહોલ્ટ્ઝ ફ્રી એનર્જી તરીકે ઓળખાતું હતું કારણ કે હેલ્મહોલ્ટ્ઝે તેનું મહત્વ દર્શાવનારા સૌપ્રથમ હતા, પરંતુ હવે તેને ખાલી ઉર્જા કહેવામાં આવે છે.

ગિબ્સ સંભવિત.

એવા કિસ્સામાં જ્યાં તાપમાન અને દબાણ બંને બદલાઈ શકે છે, વધુ સામાન્ય કાર્યનો ઉપયોગ થાય છે

આ કાર્યને કેટલીકવાર કુલ થર્મોડાયનેમિક સંભવિત અથવા ચોખ્ખી ઊર્જા કહેવામાં આવે છે, પરંતુ હવે તેને સામાન્ય રીતે ગિબ્સ સંભવિત અથવા ગિબ્સ ઊર્જા કહેવામાં આવે છે અને તે પ્રતીક દ્વારા સૂચવવામાં આવે છે જીજે. ગિબ્સ (1839-1903)ના નામ પરથી નામ આપવામાં આવ્યું હતું. નીચે બતાવ્યા પ્રમાણે, પ્રસ્તુત થર્મોડાયનેમિક કાર્યો અમને સંતુલન માટે જરૂરી શરતો નક્કી કરવા દે છે.

જો દબાણ થોડી માત્રામાં વધે છે ડીપીદ્વારા સમર્થિત સિસ્ટમમાં સતત તાપમાન (ડીટી= 0), ગીબ્સની સંભવિતતા વધશે ડીજી, અને તેના વધારાનો દર, અથવા ગિબ્સની સંભવિતતાની "સંવેદનશીલતા". જીદબાણમાં ફેરફાર માટે, સિસ્ટમના વોલ્યુમ માટે થર્મોડાયનેમિક અભિવ્યક્તિ દ્વારા આપવામાં આવે છે

જ્યાં આંશિક વ્યુત્પન્ન પ્રતીક સૂચવે છે કે ફેરફાર અન્ય તમામ પરિમાણોના સ્થિર મૂલ્યો પર થાય છે (માં આ કિસ્સામાંતાપમાન ટી).

એ જ રીતે, તાપમાનમાં ફેરફાર (સતત દબાણ પર) માટે ગિબ્સની સંભવિતતાની સંવેદનશીલતા એ સિસ્ટમની એન્ટ્રોપીનું માપ છે:

અને આ સમાનતાને એન્ટ્રોપીની બીજી વ્યાખ્યા તરીકે ગણી શકાય.

થર્મોડાયનેમિક કાર્યો વચ્ચેના સંબંધો.

જથ્થો ઇ, એચ, એફઅને જીઊર્જાનું પરિમાણ છે, અને તેમાંથી કોઈપણ ત્રણને ચોથા દ્વારા વ્યક્ત કરી શકાય છે. જો dW = પીડીવી, પછી, સમાનતા (7) અને (8) નો ઉપયોગ કરીને, આપણે કરી શકીએ છીએ એચ, એફઅને ઇદ્વારા વ્યક્ત કરો જી:

જો આપણે માત્ર એક કાર્યને ધ્યાનમાં લઈએ જી, તો પછી સ્વતંત્ર ચલો વચ્ચે તે ફક્ત ધ્યાનમાં લેવા માટે પૂરતું હશે પીઅને ટી, જે લગભગ હંમેશા સૌથી અનુકૂળ હોવાનું બહાર આવે છે. જો આપણે એકમાત્ર કાર્ય તરીકે પસંદ કરીએ ઇ, તો ગાણિતિક દૃષ્ટિકોણથી સૌથી અનુકૂળ સ્વતંત્ર ચલો હશે વીઅને ટીઅથવા વીઅને એસ, પરંતુ તેમાંથી છેલ્લું દેખીતી રીતે સીધા માપ માટે ખૂબ અનુકૂળ નથી.

ગરમી ક્ષમતા.

એન્ટ્રોપી ફેરફાર ડીએસપદાર્થની ગણતરી તેના તાપમાનમાં એક ડિગ્રી વધારવા માટે જરૂરી ગરમીના જથ્થા દ્વારા કરી શકાય છે, એટલે કે. માપેલ ગરમી ક્ષમતા દ્વારા સી. પરંતુ ગરમીની ક્ષમતા તેના પર આધાર રાખે છે કે શું પદાર્થ સતત દબાણમાં વિસ્તરી શકે છે પી, ત્યારથી ગરમીને કારણે, વિસ્તરણ સાથે સંકળાયેલું કામ કરવું આવશ્યક છે. તેથી, સતત દબાણ પર ગરમીની ક્ષમતા સી પી વધુ ગરમી ક્ષમતાસતત વોલ્યુમ પર સી વી. આ જથ્થાઓ સમાનતાઓ દ્વારા આપવામાં આવે છે

ગરમી ક્ષમતા તફાવત સી પીઅને સી વીથર્મલ એકમોમાં વ્યક્ત થાય છે, અને દબાણ દળો સામે વિસ્તરણમાં કામ કરવા માટે જરૂરી વધારાની ઊર્જા યાંત્રિક એકમોમાં વ્યક્ત કરી શકાય છે. સેમી. સૂત્ર (2) અને ફિગ. 1]. આ રીતે મેયરે ગરમીના યાંત્રિક સમકક્ષની ગણતરી કરી.

એન્ટ્રોપી ગણતરી.

જો દબાણ પીસતત, પછી કારણ કે એચ = ઇ + પી.વી, સમાનતાને ધ્યાનમાં રાખીને (3) આપણે લખી શકીએ છીએ

તેથી, સંબંધનો આલેખ બાંધીને સી પી/ટીથી ટી(અથવા, જે ગાણિતિક દૃષ્ટિકોણથી સમાન વસ્તુ છે, અવલંબનનો ગ્રાફ સી પી ln થી ટી), આપણે એન્ટ્રોપી ઇન્ક્રીમેન્ટ ડી શોધી શકીએ છીએ એસગ્રાફ પરના વળાંકના વિસ્તાર તરીકે (ફિગ. 6):

ડિસઓર્ડર અને એન્ટ્રોપી.

ઑસ્ટ્રિયન ભૌતિકશાસ્ત્રી એલ. બોલ્ટ્ઝમેને આંકડાકીય મિકેનિક્સના આધારે બતાવ્યું કે એન્ટ્રોપી એ ડિસઓર્ડરનું માપ છે, એટલે કે:

જ્યાં એસ- એન્ટ્રોપી એનપદાર્થના મોલ્સ, અને આર- થી સતત સામાન્ય સમીકરણવાયુઓ માટે

જે રજૂ કરે છે ગાણિતિક સંકેતઆર. બોયલ (1627–1691) અને ઈ. મેરીઓટ (1620–1684) દ્વારા શોધાયેલા અલગ કાયદા અને જે. ગે-લુસાક (1778–1850) દ્વારા જે. ચાર્લ્સ (1746–1823) દ્વારા સ્થાપિત કાયદા સાથે સંયુક્ત. સાર્વત્રિક ગેસ સ્થિર આરતમામ વાયુઓ માટે તે 8.3144 J/molCh K બરાબર છે.

જથ્થા F એ આપેલ તાપમાને પરમાણુઓ વચ્ચે ઊર્જા વિતરિત કરી શકાય તેવી રીતોની સંખ્યા છે, જે નિરપેક્ષ શૂન્ય તાપમાન પરના માર્ગોની અનુરૂપ સંખ્યા દ્વારા વિભાજિત થાય છે. જો તાપમાન નિરપેક્ષ શૂન્યથી ઉપર હોય, તો સિસ્ટમ એવી સ્થિતિમાં સંક્રમણ કરે છે જેમાં Ф નું મૂલ્ય વધુ હોય, કારણ કે આ કિસ્સામાં પરમાણુ દીઠ ઊર્જા ઓછી હશે, અને આ વિતરણ કરતાં વધુ સંભવિત પરિસ્થિતિ છે જેમાં બધી ઊર્જા નાની સંખ્યાના અણુઓ પર પડે છે.

આમ, માં સ્થિત પદાર્થની એન્ટ્રોપી આ રાજ્ય, છે સંબંધિત સંભાવનાઆ રાજ્યના, લઘુગણક સ્કેલ પર લેવામાં આવે છે અને તેનાથી ગુણાકાર થાય છે એન.આર, જેથી તે થર્મોડાયનેમિક એકમોમાં વ્યક્ત થાય છે.

તમામ પરમાણુઓની કડક ક્રમબદ્ધ ગોઠવણી સાથેનો આદર્શ સ્ફટિક એ ખૂબ જ અસંભવિત માળખું છે જે માત્ર મોટા આંતરપરમાણુ દળોની હાજરીમાં અથવા બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, તેની આંતરિક ઊર્જાના નીચા સ્તરે જાળવી શકાય છે. જ્યારે ક્રિસ્ટલ ગરમ થાય છે, ત્યારે થર્મલ ચળવળ આ ક્રમમાં વિક્ષેપ પાડે છે. ચોક્કસ તાપમાને (ગલનબિંદુ), જ્યારે થર્મલ ઉર્જા આંતરપરમાણુ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાની ઉર્જા કરતા વધારે બને છે, ઘન સ્ફટિક જાળીનાશ પામે છે અને પદાર્થ ઓછા ક્રમાંકિત પ્રવાહી સ્થિતિમાં પસાર થાય છે. મફત ઊર્જા, જે સંતુલન સ્થિતિ [સૂત્ર (5)] ની લાક્ષણિકતા ધરાવે છે, તે આંતરિક ઊર્જાના ક્રમની અસર અને એલિવેટેડ તાપમાનની અવ્યવસ્થિત અસર વચ્ચેના સંબંધ દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે, અને એન્ટ્રોપી તાપમાનની અસરના માત્રાત્મક માપ તરીકે કામ કરે છે.

સમતુલા.

આમ, સતત આંતરિક ઊર્જા પર સંતુલન માટેની સ્થિતિ એ એન્ટ્રોપીની મહત્તમ છે એસ. કેટલાક વધઘટ શક્ય છે જે આ સ્થિતિમાંથી સિસ્ટમને સંક્ષિપ્તમાં દૂર કરે છે, પરંતુ સરેરાશ કોઈપણ પર્યાપ્ત માટે લાંબો સમયસમાનતા ધરાવે છે

જથ્થાઓ થી એફઅને જીએન્ટ્રોપીના કાર્યો છે એસ, માઈનસ ચિહ્ન સાથે લેવામાં આવે છે, આ સ્થિતિમતલબ કે સંતુલન ત્યારે જ શક્ય છે જ્યારે ક્યાં તો જથ્થો એફ, અથવા મૂલ્ય જીન્યૂનતમ છે. આમ, કોઈપણ માટે કલ્પનાશીલ ફેરફાર dXસંતુલન શરતો છે:

1834માં ફ્રેન્ચ ઈજનેર બી. ક્લેપીરોન (1799–1864) દ્વારા પ્રસ્તાવિત થર્મલ ચક્રનું વિશ્લેષણ કરીને આ સંબંધ મેળવવામાં આવ્યો હતો. તે દર્શાવે છે કે વરાળની ગરમીને કેલરીમેટ્રિક પદ્ધતિઓ દ્વારા નક્કી કરવાની જરૂર નથી; જો દબાણ વધવાનો દર જાણીતો હોય તો બાષ્પીભવન દરમિયાન થતા વિસ્તરણ પરથી તેની ગણતરી કરી શકાય છે. સંતૃપ્ત વરાળજ્યારે સિસ્ટમનું પ્રમાણ સતત જાળવવામાં આવે છે ત્યારે તાપમાન વધે છે ત્યારે પ્રવાહી. આ એક લાક્ષણિક થર્મોડાયનેમિક સમીકરણ છે જે દેખીતી રીતે અસંબંધિત ચલો વચ્ચે સંબંધ સ્થાપિત કરે છે.

સમાન તર્કનો ઉપયોગ કરીને, આર. ક્લોસિયસ (1822-1888) એ ગરમીની ક્ષમતામાં તફાવત માટે અભિવ્યક્તિ મેળવી સી.એસસખત અને સી એલપ્રવાહી તબક્કો:

જે, જો કે, સંબંધમાંથી મેળવવાનું સરળ છે (15).

કારણ કે તેણે ક્લેપીરોન સમીકરણને ધ્યાનમાં લીધું અને તેના શબ્દોમાં પરિચય આપ્યો, “ નાના ફેરફારો“તર્ક દરમિયાન, સંબંધ (30) ક્લોસિયસ – ક્લેપીરોન સમીકરણ તરીકે ઓળખાય છે.

કંઈક અંશે સમાન રીતે તર્ક આપતા, મેક્સવેલના પ્રથમ સંબંધોનો ઉપયોગ કરીને, થર્મલી રીતે ઇન્સ્યુલેટેડ નક્કર પદાર્થના ગલનબિંદુ પર દબાણની અસર દર્શાવતું સૂત્ર મેળવી શકાય છે જેથી તેની એન્ટ્રોપી સ્થિર રહે:

અહીં એલ- ફ્યુઝનની ગરમી, ટી- આપેલ દબાણ પર ગલન તાપમાન પી, એ ( વી એલ – વિ એસ) - ગલન દરમિયાન ઘન ના જથ્થામાં ફેરફાર. બરફના કિસ્સામાં, ગલન દરમિયાન સંકોચન થાય છે, અને સૂત્ર (32) દર્શાવે છે કે વધતા દબાણ સાથે ગલન તાપમાન ઘટે છે. પ્રાયોગિક ડેટા ગણતરીના પરિણામો સાથે સુસંગત છે. મોટાભાગના અન્ય ઘનગલન થવા પર વિસ્તરે છે અને તેથી તેમના ગલનબિંદુ વધતા દબાણ સાથે વધે છે.

દબાણની અસર.

ઇસોથર્મલ દબાણ ફેરફારો સાથે સંકળાયેલ અન્ય અસરો સૂત્રો દ્વારા વર્ણવવામાં આવે છે

જૌલ-થોમસન અસર.

જો ગેસ હીટ-ઇન્સ્યુલેટેડ વાસણમાં છે અને તેના પર કોઈ કામ કરવામાં આવ્યું નથી ( એચ= const), પછી દબાણમાં ફેરફારને કારણે તેના તાપમાનમાં ફેરફાર સૂત્ર દ્વારા આપવામાં આવે છે

માટે આદર્શ ગેસ એક ટી= 1, અને તેથી તેનું તાપમાન બદલવું જોઈએ નહીં. પરિણામે, તાપમાનમાં ફેરફાર કરીને, માપવામાં આવે છે, ઉદાહરણ તરીકે, જ્યારે ગેસ વેક્યૂમમાં વિસ્તરે છે, ત્યારે આદર્શ ગેસમાંથી વાસ્તવિક ગેસના વિચલનની ડિગ્રીનો અંદાજ લગાવી શકાય છે. આ અસર વાસ્તવમાં જોવા મળે છે અને જે વૈજ્ઞાનિકોએ તેની શોધ કરી તે પછી તેને જૌલ-થોમસન અસર કહેવાય છે.

તાપમાનની અસર.

સતત દબાણ પર તાપમાનની અસરનું વર્ણન કરતા સૂત્રો એ જ રીતે મેળવવામાં આવે છે:

ઉદાહરણ તરીકે, નિરપેક્ષ શૂન્યથી ચોક્કસ મર્યાદા તાપમાન સુધીની શ્રેણીમાં, દરેક પદાર્થ તેના પોતાના હોય છે, તમામ પદાર્થોની ઉષ્મા ક્ષમતા સ્થિર જથ્થામાં તાપમાનના ક્યુબના પ્રમાણમાં હોય છે (કેલ્વિન સ્કેલ પર):

આ અભિવ્યક્તિ પર આધારિત છે ક્વોન્ટમ થિયરીપી. ડેબી (1884-1966). તે પરવાનગી આપે છે સરળ એકીકરણ 0 K ની નજીકના તાપમાને કુલ એન્ટ્રોપીની ગણતરી કરો:

રાજ્યના સમીકરણો.

તેના સરળ સ્વરૂપ માટે આભાર ગેસ કાયદો[સૂત્ર (18)] તમને કરવાની મંજૂરી આપે છે મહત્વપૂર્ણ તારણોઆદર્શ ગેસના ગુણધર્મો પર. પરંતુ એડિબેટિક કમ્પ્રેશન દરમિયાન, એક આદર્શ ગેસ ગરમ થાય છે. આ કિસ્સામાં, ઇસોથર્મલ કાયદો PV = NRTધરાવતું નથી અને સમીકરણ દ્વારા બદલવું આવશ્યક છે

જ્યાં g- સતત દબાણ અને સતત વોલ્યુમ પર ચોક્કસ ગરમીની ક્ષમતાઓનો ગુણોત્તર, એટલે કે. g = C P / C V. આ સમીકરણ પ્રાપ્ત થયું હતું ફ્રેન્ચ ગણિતશાસ્ત્રીએસ. પોઈસન (1781–1840).

હીટ એન્જિનો (સ્ટીમ એન્જિન, ગેસોલિન, ગેસ અને ડીઝલ એન્જિન) ના કાર્યકારી સિલિન્ડરોમાં, કમ્પ્રેશનની ઝડપ વધારે છે, પરંતુ પ્રક્રિયા સંપૂર્ણપણે એડિબેટિક નથી અને તેને પોલીટ્રોપિક કહેવામાં આવે છે. આવા કિસ્સાઓમાં મોટાભાગની ડિઝાઇન સમસ્યાઓ હલ કરતી વખતે, ફોર્મનું સમીકરણ સ્વીકારવામાં આવે છે

જ્યાં nકરતાં ઓછું સ્થિર મૂલ્ય g, અને તેની એકતા પર વધુ પડતી કમ્પ્રેશનની ઝડપ પર આધાર રાખે છે. વધુમાં, વાસ્તવિક વાયુઓનું વર્તન સમીકરણો (18), (47) અને (48) થી વિચલિત થાય છે, અને તેમના માટે કહેવાતા વાયુઓનો ઉપયોગ થાય છે. રાજ્યના સમીકરણો.

આવા સમીકરણોનું ઉદાહરણ છે

જ્યાં aઅને b- ગેસની પ્રકૃતિના આધારે સ્થિરાંકો. આ સમીકરણ જે. વેન ડેર વાલ્સ (1837-1923) દ્વારા લેવામાં આવ્યું હતું. અન્ય ઘણા સમીકરણો પ્રસ્તાવિત કરવામાં આવ્યા છે; તેમાંના કેટલાક માત્ર એક ગેસ માટે માન્ય છે.

સાહિત્ય:

બેર જી. ટેકનિકલ થર્મોડાયનેમિક્સ . એમ., 1973
બઝારોવ આઇ.પી. થર્મોડાયનેમિક્સ. એમ., 1983
Vukalovich M.P., Novikov I.I. થર્મોડાયનેમિક્સ. એમ., 1984
ક્વાસ્નિકોવ I.A. અર્ધ-સ્થિર પ્રક્રિયાઓના સિદ્ધાંતનો પરિચય. એમ., 1986

અમારા અભ્યાસક્રમ "ડમીઝ માટે ભૌતિકશાસ્ત્ર" ચાલુ રાખીને, અમે આવા મહત્વપૂર્ણ વિભાગની મૂળભૂત બાબતોને ધ્યાનમાં લેવાનું શરૂ કરીશું. થર્મોડાયનેમિક્સ.

થર્મોડાયનેમિક્સનો સક્રિય વિકાસ ઓગણીસમી સદીમાં શરૂ થયો. તે પછી જ લોકોએ પ્રથમ સ્ટીમ એન્જિન બનાવવાનું શરૂ કર્યું, અને પછી સક્રિયપણે તેને ઉત્પાદનમાં રજૂ કર્યું. ઔદ્યોગિક ક્રાંતિ શરૂ થઈ, અને, સ્વાભાવિક રીતે, દરેક વ્યક્તિ ગુણાંક વધારવા માંગતો હતો ઉપયોગી ક્રિયાવધુ ઉત્પાદનો બનાવવા, વધુ મુસાફરી કરવા અને આખરે મેળવવા માટે કાર વધુ પૈસા. આ બધું ખૂબ જ સારી રીતે વિજ્ઞાનના વિકાસને ઉત્તેજિત કરે છે અને તેનાથી વિપરીત. પરંતુ ચાલો આ મુદ્દાના હૃદય પર જઈએ.

થર્મોડાયનેમિક્સ એ ભૌતિકશાસ્ત્રની એક શાખા છે જે મેક્રોસ્કોપિક સિસ્ટમ્સનો અભ્યાસ કરે છે, તેમની સૌથી વધુ સામાન્ય ગુણધર્મો, આવી સિસ્ટમોમાં ઊર્જાના ટ્રાન્સફર અને ટ્રાન્સફોર્મેશનની પદ્ધતિઓ.

મેક્રોસ્કોપિક સિસ્ટમ્સ શું છે?આ ખૂબ જ સમાવેશ થાય છે સિસ્ટમો છે મોટી સંખ્યામાંકણો ઉદાહરણ તરીકે, ગેસ સિલિન્ડર અથવા બલૂન. પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરીને આવી સિસ્ટમોનું વર્ણન શાસ્ત્રીય મિકેનિક્સતે ફક્ત અશક્ય છે - છેવટે, અમે દરેક ગેસ પરમાણુની ઝડપ, ઊર્જા અને અન્ય પરિમાણોને વ્યક્તિગત રીતે માપી શકતા નથી. તેમ છતાં, કણોની સમગ્ર વસ્તીનું વર્તન આંકડાકીય કાયદાઓને આધીન છે. હકીકતમાં, આપણને દેખાતી કોઈપણ વસ્તુ (નરી આંખે) થર્મોડાયનેમિક સિસ્ટમ તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરી શકાય છે.

- વાસ્તવમાં અથવા માનસિક રીતે ફાળવેલ મેક્રોસ્કોપિક ભૌતિક સિસ્ટમ, જેમાં મોટી સંખ્યામાં કણોનો સમાવેશ થાય છે, જેને તેના વર્ણન માટે માઇક્રોસ્કોપિક લાક્ષણિકતાઓની જરૂર નથી વ્યક્તિગત કણો. તદનુસાર, થર્મોડાયનેમિક સિસ્ટમનું વર્ણન કરવા માટે, મેક્રોસ્કોપિક પરિમાણોનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે જે દરેક કણ સાથે સંબંધિત નથી, પરંતુ સમગ્ર સિસ્ટમનું વર્ણન કરે છે. આ તાપમાન, દબાણ, વોલ્યુમ, સિસ્ટમનો સમૂહઅને તેથી વધુ.

એ નોંધવું અગત્યનું છે કે થર્મોડાયનેમિક સિસ્ટમ્સ હોઈ શકે છે બંધઅને ખુલ્લું. બંધ સિસ્ટમ- આ એક એવી સિસ્ટમ છે જે વાસ્તવિક અથવા કાલ્પનિક શેલનો ઉપયોગ કરીને, પર્યાવરણથી સુરક્ષિત છે, જ્યારે સિસ્ટમમાં કણોની સંખ્યા સતત રહે છે.

સિસ્ટમ વિવિધ રાજ્યોમાં હોઈ શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, અમે ગેસ સિલિન્ડર લીધો અને તેને ગરમ કરવાનું શરૂ કર્યું. આમ, અમે ગેસના પરમાણુઓની ઉર્જા બદલી, તેઓ ઝડપથી આગળ વધવા લાગ્યા, અને સિસ્ટમ વધુ સાથે કેટલીક નવી સ્થિતિમાં ખસેડવામાં આવી. ઉચ્ચ તાપમાન. પણ તંત્ર એકલું પડી જાય તો શું થાય? ત્યારબાદ તંત્ર થોડા સમય બાદ રાજ્યમાં પહોંચશે થર્મોડાયનેમિક સંતુલન.

તેનો અર્થ શું છે?

થર્મોડાયનેમિક સંતુલન એ સિસ્ટમની સ્થિતિ છે જેમાં તેના મેક્રોસ્કોપિક પરિમાણો (તાપમાન, વોલ્યુમ, વગેરે) સમય જતાં યથાવત રહે છે.

થર્મોડાયનેમિક્સ તેના ત્રણ સ્તંભો પર ઊભું છે. થર્મોડાયનેમિક્સના ત્રણ મૂળભૂત ધારણાઓ અથવા ત્રણ નિયમો છે. તેમને અનુક્રમે થર્મોડાયનેમિક્સના પ્રથમ, બીજા અને ત્રીજા નિયમો કહેવામાં આવે છે. ચાલો પ્રથમ કાયદો અથવા થર્મોડાયનેમિક્સનો પ્રથમ કાયદો ધ્યાનમાં લઈએ.

થર્મોડાયનેમિક્સનો પ્રથમ નિયમ

થર્મોડાયનેમિક્સનો પ્રથમ નિયમ જણાવે છે:

ગમે ત્યારે અલગ સિસ્ટમઊર્જા પુરવઠો સતત રહે છે.

માર્ગ દ્વારા, આ પોસ્ટ્યુલેટમાં ઘણા વધુ છે સમકક્ષ ફોર્મ્યુલેશન. ચાલો તેમને નીચે સૂચિબદ્ધ કરીએ:

સિસ્ટમ દ્વારા પ્રાપ્ત થતી ગરમીની માત્રા સિસ્ટમની આંતરિક ઊર્જાને બદલવા માટે તેમજ તેની સામે કામ કરવા માટે જાય છે બાહ્ય દળો.

પ્રથમ પ્રકારનું શાશ્વત ગતિ મશીન (એન્જિન જે ઊર્જા ખર્ચ્યા વિના કામ કરે છે) અશક્ય છે.

ચાલો થર્મોડાયનેમિક્સના પ્રથમ નિયમની ગાણિતિક અભિવ્યક્તિ પણ લખીએ:

અહીં Q એ ગરમીનું પ્રમાણ છે, ડેલ્ટા U એ આંતરિક ઊર્જામાં ફેરફાર છે, A એ બાહ્ય દળો સામે કાર્ય છે. વિવિધ થર્મોડાયનેમિક પ્રક્રિયાઓ માટે, તેમની લાક્ષણિકતાઓને લીધે, પ્રથમ કાયદાનું રેકોર્ડિંગ અલગ દેખાશે.

શા માટે પ્રથમ પ્રકારનું શાશ્વત ગતિ મશીન અશક્ય છે?

પ્રાચીન કાળથી, લોકો હર મેજેસ્ટી ફ્રીબીઝ તરફ આકર્ષાયા છે. ફિલોસોફર્સ સ્ટોન, કોઈપણ ધાતુને સોનામાં ફેરવવું, એક સ્વ-એસેમ્બલ ટેબલક્લોથ કે જેની સાથે તમારે રાંધવાની જરૂર નથી, એક જીની જે કોઈપણ ઇચ્છા પૂરી કરે છે. આવો જ બીજો એક વિચાર હતો શાશ્વત ગતિ મશીન.

શાશ્વત ગતિ મશીન અશક્ય છે કારણ કે આ રીતે વિશ્વ કાર્ય કરે છે. થર્મોડાયનેમિક્સના નિયમો આપણને આ કહે છે. થર્મોડાયનેમિક્સના પ્રથમ નિયમ મુજબ, સિસ્ટમ દ્વારા પ્રાપ્ત થતી ગરમીની માત્રા સિસ્ટમની આંતરિક ઊર્જાને બદલવા તેમજ બાહ્ય દળો સામે કામ કરવા માટે જાય છે. ઉદાહરણ તરીકે, પિસ્ટન સાથે સિલિન્ડરમાં મૂકવામાં આવેલ ગેસ, ચોક્કસ માત્રામાં ગરમી મેળવે છે, તેની આંતરિક ઊર્જામાં વધારો કરે છે, પરમાણુઓ ઝડપથી આગળ વધે છે, ગેસ મોટા જથ્થાને કબજે કરે છે અને પિસ્ટનને દબાણ કરે છે (બાહ્ય દળો સામે કામ કરે છે). બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, જો કાર્ય ઊર્જાના બાહ્ય પ્રવાહ વિના કરવામાં આવે છે, તો તે ફક્ત સિસ્ટમની આંતરિક ઊર્જાને કારણે થઈ શકે છે, જે વહેલા કે પછીથી સુકાઈ જશે, સંપૂર્ણ કાર્યમાં પરિવર્તિત થશે, તે સમયે બધું સમાપ્ત થઈ જશે અને સિસ્ટમ થર્મોડાયનેમિક સંતુલનની સ્થિતિમાં આવશે. છેવટે, વિશ્વમાં ઊર્જા ક્યાંય જતી કે આવતી નથી, તેનો જથ્થો સતત રહે છે, અને માત્ર તેનું સ્વરૂપ બદલાય છે. અલબત્ત, તમે તે નોંધ્યું છે અમે વાત કરી રહ્યા છીએપ્રથમ પ્રકારના કહેવાતા શાશ્વત ગતિ મશીન વિશે (જે ઊર્જા વિના કામ કરી શકે છે). અમે તમને ખાતરી આપવા ઉતાવળ કરીએ છીએ કે બીજા પ્રકારના કાયમી ગતિ મશીનનું અસ્તિત્વ પણ અશક્ય છે અને તે થર્મોડાયનેમિક્સના બીજા નિયમ દ્વારા સમજાવવામાં આવ્યું છે, જેના વિશે આપણે નજીકના ભવિષ્યમાં વાત કરીશું.

અમે આશા રાખીએ છીએ કે થર્મોડાયનેમિક્સ સાથેનો તમારો પરિચય આનંદદાયક હતો અને તમે તેને તમારા હૃદયથી પ્રેમ કરશો. જો આવું ન થાય, તો તમે હંમેશા થર્મોડાયનેમિક્સ કાર્યોને પૂર્ણ કરવા માટે સોંપી શકો છો જ્યારે તમે વધુ આનંદપ્રદ વસ્તુઓ કરો છો.

થર્મોડાયનેમિક્સ અને મોલેક્યુલર ફિઝિક્સના મૂળભૂત સૂત્રો જે તમારા માટે ઉપયોગી થશે.
માટે અન્ય મહાન દિવસ વ્યવહારુ વર્ગોભૌતિકશાસ્ત્રમાં આજે આપણે એવા સૂત્રોને એકસાથે મૂકીશું જેનો ઉપયોગ થર્મોડાયનેમિક્સ અને મોલેક્યુલર ફિઝિક્સમાં સમસ્યાઓ ઉકેલવા માટે થાય છે.

તો, ચાલો જઈએ. ચાલો થર્મોડાયનેમિક્સના નિયમો અને સૂત્રોને સંક્ષિપ્તમાં રજૂ કરવાનો પ્રયાસ કરીએ.

આદર્શ ગેસ

આદર્શ ગેસ એક આદર્શીકરણ છે, એક ભૌતિક બિંદુની જેમ. આવા વાયુના પરમાણુઓ છે સામગ્રી બિંદુઓ, અને પરમાણુઓની અથડામણ એકદમ સ્થિતિસ્થાપક હોય છે. આપણે અંતરે પરમાણુઓની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાની અવગણના કરીએ છીએ. થર્મોડાયનેમિક્સમાં સમસ્યાઓમાં, વાસ્તવિક વાયુઓને ઘણીવાર આદર્શ માનવામાં આવે છે. આ રીતે જીવવું ખૂબ સરળ છે, અને તમારે સમીકરણોમાં ઘણી બધી નવી શરતો સાથે વ્યવહાર કરવાની જરૂર નથી.

તો, આદર્શ ગેસના પરમાણુઓનું શું થાય છે? હા, તેઓ આગળ વધી રહ્યા છે! અને તે પૂછવું વ્યાજબી છે, કઈ ઝડપે? અલબત્ત, પરમાણુઓની ગતિ ઉપરાંત, અમને અમારા ગેસની સામાન્ય સ્થિતિમાં પણ રસ છે. તે જહાજની દિવાલો પર P શું દબાણ લાવે છે, V તે કયું વોલ્યુમ ધરાવે છે, તેનું તાપમાન T શું છે.

આ બધું જાણવા માટે, રાજ્યનું આદર્શ ગેસ સમીકરણ છે, અથવા ક્લેપીરોન-મેન્ડેલીવ સમીકરણ

અહીં m - ગેસનો સમૂહ, એમ - તેના પરમાણુ વજન(આપણે તેને સામયિક કોષ્ટકમાંથી શોધીએ છીએ), આર – યુનિવર્સલ ગેસ કોન્સ્ટન્ટ 8.3144598(48) J/(mol*kg) ની બરાબર છે.

સાર્વત્રિક ગેસ સ્થિરાંક અન્ય સ્થિરાંકોના સંદર્ભમાં વ્યક્ત કરી શકાય છે ( બોલ્ટ્ઝમેનનો કોન્સ્ટન્ટ અને એવોગાડ્રોનો નંબર )

માસખાતે , બદલામાં, ઉત્પાદન તરીકે ગણતરી કરી શકાય છે ઘનતા અને વોલ્યુમ .

મોલેક્યુલર ગતિ સિદ્ધાંત (MKT)નું મૂળભૂત સમીકરણ

જેમ આપણે પહેલેથી જ કહ્યું છે તેમ, ગેસના અણુઓ આગળ વધે છે, અને તાપમાન જેટલું ઊંચું છે, તેટલું ઝડપી. ગેસનું દબાણ અને તેના કણોની સરેરાશ ગતિ ઊર્જા E વચ્ચે સંબંધ છે. આ જોડાણ કહેવામાં આવે છે મોલેક્યુલરનું મૂળભૂત સમીકરણ ગતિ સિદ્ધાંત અને ફોર્મ ધરાવે છે:

અહીં n - પરમાણુઓની સાંદ્રતા (તેમની સંખ્યા અને વોલ્યુમનો ગુણોત્તર), ઇ - સરેરાશ ગતિ ઊર્જા. તેઓ શોધી શકાય છે, તેમજ પરમાણુઓની રુટ સરેરાશ ચોરસ ગતિ, તે મુજબ, સૂત્રોનો ઉપયોગ કરીને:

પ્રથમ સમીકરણમાં ઊર્જાની અવેજીમાં, અને આપણને મૂળભૂત સમીકરણનું બીજું સ્વરૂપ મળે છે MKT

થર્મોડાયનેમિક્સનો પ્રથમ નિયમ. આઇસોપ્રોસેસિસ માટેના સૂત્રો

ચાલો તમને યાદ અપાવીએ કે થર્મોડાયનેમિક્સનો પ્રથમ નિયમ જણાવે છે: ગેસમાં સ્થાનાંતરિત ગરમીનું પ્રમાણ ગેસ U ની આંતરિક ઊર્જાને બદલવા માટે જાય છે અને ગેસ દ્વારા A કાર્ય કરે છે નીચે મુજબ

જેમ તમે જાણો છો, ગેસમાં કંઈક થાય છે, આપણે તેને સંકુચિત કરી શકીએ છીએ, આપણે તેને ગરમ કરી શકીએ છીએ. આ કિસ્સામાં, અમને એક સ્થિર પરિમાણ પર થતી પ્રક્રિયાઓમાં રસ છે. ચાલો જોઈએ કે તે દરેકમાં થર્મોડાયનેમિક્સનો પ્રથમ નિયમ કેવો દેખાય છે.

માર્ગ દ્વારા! હવે અમારા બધા વાચકો માટે ડિસ્કાઉન્ટ છે 10% પર

ઇસોથર્મલ પ્રક્રિયા સ્થિર તાપમાને થાય છે. બોયલ-મેરિયોટ કાયદો અહીં કામ કરે છે: માં ઇસોથર્મલ પ્રક્રિયાગેસનું દબાણ તેના જથ્થાના વિપરિત પ્રમાણસર છે. ઇસોથર્મલ પ્રક્રિયામાં:

સતત વોલ્યુમ પર આગળ વધે છે. આ પ્રક્રિયા ચાર્લ્સના કાયદા દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે: સતત વોલ્યુમ પર, દબાણ તાપમાનના સીધા પ્રમાણસર છે. આઇસોકોરિક પ્રક્રિયામાં, ગેસને પૂરી પાડવામાં આવતી તમામ ગરમી તેની આંતરિક ઊર્જાને બદલવા માટે જાય છે.

સતત દબાણ પર ચાલે છે. ગે-લુસાકનો કાયદો જણાવે છે કે ગેસના સતત દબાણ પર, તેનું પ્રમાણ તાપમાનના સીધા પ્રમાણમાં હોય છે. આઇસોબેરિક પ્રક્રિયામાં, ગરમી આંતરિક ઉર્જાને બદલવા અને ગેસ દ્વારા કામ કરવા બંને માટે જાય છે.

. એડિબેટિક પ્રક્રિયા એ એવી પ્રક્રિયા છે જે પર્યાવરણ સાથે ગરમીના વિનિમય વિના થાય છે. આનો અર્થ એ છે કે થર્મોડાયનેમિક્સના પ્રથમ કાયદાનું સૂત્ર એડિબેટિક પ્રક્રિયાઆના જેવો દેખાય છે:

મોનોટોમિક અને ડાયટોમિક આદર્શ ગેસની આંતરિક ઊર્જા

ગરમી ક્ષમતા

ચોક્કસ ગરમી એક કિલોગ્રામ પદાર્થને એક ડિગ્રી સેલ્સિયસ ગરમ કરવા માટે જરૂરી ગરમીની માત્રા જેટલી.

ઉપરાંત ચોક્કસ ગરમી ક્ષમતા, છે દાઢ ગરમી ક્ષમતા (પદાર્થના એક છછુંદરને એક ડિગ્રી દ્વારા ગરમ કરવા માટે જરૂરી ગરમીનું પ્રમાણ) સતત વોલ્યુમ પર, અને દાઢ ગરમી ક્ષમતા સતત દબાણમાં. નીચેના સૂત્રોમાં, i એ ગેસના પરમાણુઓની સ્વતંત્રતાની ડિગ્રીની સંખ્યા છે. મોનોટોમિક ગેસ માટે i=3, ડાયટોમિક ગેસ માટે – 5.

થર્મલ મશીનો. થર્મોડાયનેમિક્સમાં કાર્યક્ષમતા સૂત્ર

હીટ એન્જિન , સૌથી સરળ કિસ્સામાં, હીટર, રેફ્રિજરેટર અને કાર્યકારી પ્રવાહીનો સમાવેશ થાય છે. હીટર કામ કરતા પ્રવાહીને ગરમી આપે છે, તે કામ કરે છે, પછી તેને રેફ્રિજરેટર દ્વારા ઠંડુ કરવામાં આવે છે, અને બધું પુનરાવર્તિત થાય છે. ઓવિ. એક લાક્ષણિક ઉદાહરણહીટ એન્જિન એ આંતરિક કમ્બશન એન્જિન છે.

કાર્યક્ષમતા હીટ એન્જિનની ગણતરી સૂત્ર દ્વારા કરવામાં આવે છે

તેથી અમે એકત્રિત કર્યા છે મૂળભૂત સૂત્રોથર્મોડાયનેમિક્સ, જે સમસ્યાઓ ઉકેલવામાં ઉપયોગી થશે. અલબત્ત, આ બધા થર્મોડાયનેમિક્સ વિષયના સૂત્રો નથી, પરંતુ તેનું જ્ઞાન ખરેખર સારો હેતુ પૂરો કરી શકે છે. અને જો તમને કોઈ પ્રશ્નો હોય, તો યાદ રાખો વિદ્યાર્થી સેવા, જેના નિષ્ણાતો કોઈપણ સમયે બચાવમાં આવવા માટે તૈયાર છે.

થર્મોડાયનેમિક્સ શું છે

વ્યાખ્યા

થર્મોડાયનેમિક્સ એ ભૌતિકશાસ્ત્રનો સૌથી મહત્વપૂર્ણ ભાગ છે. તેના તારણોનો ઉપયોગ ગાયરો- અને એરોડાયનેમિક્સ, ઓપ્ટિક્સ, ભૌતિક રસાયણશાસ્ત્ર અને અન્ય ઘણા વિજ્ઞાન અને લાગુ વિકાસમાં થાય છે.

થર્મોડાયનેમિક્સનો ઉદ્ભવ થયો પ્રારંભિક XIXસદી તે સમયે, હીટિંગ એન્જિનિયરિંગનો વિકાસ શરૂ થયો. થર્મોડાયનેમિક્સ તેણી બની સૈદ્ધાંતિક આધાર. તે સમયે તેનો ધ્યેય ગરમીમાં રૂપાંતરિત કરવાની પ્રક્રિયાઓને નિર્ધારિત કરતી પેટર્નનો અભ્યાસ કરવાનો હતો યાંત્રિક કાર્યહીટ એન્જિનનો ઉપયોગ કરીને અને એવી પરિસ્થિતિઓની શોધ કરવી કે જેમાં આવા પરિવર્તનની કાર્યક્ષમતા મહત્તમ હોય. થર્મોડાયનેમિક્સના પાયા તેમના કાર્યોમાં સાદી કાર્નોટ દ્વારા નાખવામાં આવ્યા હતા, જે ફ્રેન્ચ એન્જિનિયર અને ભૌતિકશાસ્ત્રી હતા જેમણે હીટ એન્જિનનો અભ્યાસ કર્યો હતો. તે સમયે, ગરમીને હજી પણ ચોક્કસ પદાર્થ તરીકે ગણવામાં આવતું હતું - કેલરી, જેનો કોઈ સમૂહ નથી અને તે બનાવી અથવા નાશ કરી શકાતો નથી. ત્યારબાદ, થર્મોડાયનેમિક્સ એક સાંકડી તકનીકી સમસ્યાની સીમાઓથી આગળ વધ્યું. આધુનિક થર્મોડાયનેમિક્સની મુખ્ય સામગ્રી એ પદાર્થની ગતિના થર્મલ સ્વરૂપના નિયમો અને સંબંધિત ઘટનાઓનો અભ્યાસ છે.

થર્મોડાયનેમિક્સ કઈ પ્રક્રિયાઓનો અભ્યાસ કરે છે?

થર્મોડાયનેમિક્સ મેક્રોસ્કોપિક પ્રક્રિયાઓનો અભ્યાસ કરે છે જે શરીર અને શરીરની સિસ્ટમોમાં થાય છે. આ વિજ્ઞાન દ્રવ્યની રચના વિશે વિશેષ પૂર્વધારણાઓ અને વિચારોનો ઉપયોગ કરતું નથી. ગરમીની પ્રકૃતિ વિશે પ્રશ્નો પૂછતા નથી. થર્મોડાયનેમિક તારણો પર આધારિત છે સામાન્ય સિદ્ધાંતો(શરૂઆત), જે પ્રયોગમૂલક ડેટાનું સામાન્યીકરણ કરીને મેળવવામાં આવે છે.

થર્મોડાયનેમિક્સ માત્ર સિસ્ટમોની થર્મોડાયનેમિકલી સંતુલન સ્થિતિઓ અથવા ખૂબ જ ધીમી પ્રક્રિયાઓનો અભ્યાસ કરે છે જે સંતુલનના સમૂહ દ્વારા રજૂ કરી શકાય છે. આ વિજ્ઞાન એકમાંથી સંક્રમણના નિયમોનો પણ અભ્યાસ કરે છે સંતુલન સ્થિતિબીજાને.

થર્મોડાયનેમિક્સના તારણો ખૂબ જ સામાન્ય છે, કારણ કે તે સરળ મોડેલોનો ઉપયોગ કર્યા વિના મેળવવામાં આવે છે. થર્મોડાયનેમિક્સ અનુભવ, અથવા મોલેક્યુલર - ગતિ સિદ્ધાંતમાંથી ઘણા સમીકરણો લે છે. પરંતુ અહીં એ નોંધવું જોઈએ કે પ્રેક્ટિસ બતાવે છે કે થર્મોડાયનેમિક્સના સ્વયંસિદ્ધ સિદ્ધાંતો લાગુ પડવાની મર્યાદા ધરાવે છે. આમ, શાસ્ત્રીય થર્મોડાયનેમિક્સ નાના કદની સિસ્ટમોમાં નબળી રીતે લાગુ પડે છે, કારણ કે તે રાજ્યની વધઘટને ધ્યાનમાં લેતું નથી, જે માઇક્રોવર્લ્ડમાં નોંધપાત્ર મહત્વ ધરાવે છે.

તેથી, અમે થર્મોડાયનેમિક્સના મૂળભૂત વિચારને નીચે પ્રમાણે વ્યાખ્યાયિત કરીએ છીએ:

થર્મોડાયનેમિક્સનો મૂળભૂત વિચાર

મેક્રોસ્કોપિક સિસ્ટમ્સ સમાવે છે મોટી માત્રામાંકણો સિસ્ટમની સ્થિતિઓ ખૂબ ચોક્કસ પરિમાણો દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે. દરેક સિસ્ટમ ઊર્જા સંરક્ષણના કાયદાનું પાલન કરે છે.

થર્મોડાયનેમિક્સમાં, ઉર્જા સંરક્ષણનો કાયદો થર્મોડાયનેમિક્સના સિદ્ધાંતો તરીકે ઘડવામાં આવે છે. મેક્રોસિસ્ટમનું વર્તન થર્મોડાયનેમિક્સના સિદ્ધાંતોના આધારે વર્ણવવામાં આવ્યું છે. થર્મોડાયનેમિક્સમાં ત્રણ સિદ્ધાંતો ઘડવામાં આવ્યા છે. પ્રથમ સિદ્ધાંત ઊર્જા સંરક્ષણના કાયદાનું પરિણામ છે:

થર્મોડાયનેમિક્સનો પ્રથમ નિયમ

\[\delta Q=dU+\delta A\ \left(1\જમણે),\]

જ્યાં $\delta Q$ એ થર્મોડાયનેમિક સિસ્ટમને પૂરી પાડવામાં આવતી ગરમીનું તત્વ (અથવા અનંત રકમ) છે. ઊર્જાના આ સ્વરૂપની હિલચાલ અને પરિવર્તનનો અભ્યાસ થર્મોડાયનેમિક્સનો વિષય છે, $dU$ એ સિસ્ટમની આંતરિક ઊર્જામાં ફેરફાર છે, $\delta A$ -- મૂળભૂત કામ. અસંખ્ય જથ્થાઓ અહીં નિયુક્ત કરવામાં આવી છે વિવિધ પ્રતીકો(d અને $\delta $), આ ઇરાદાપૂર્વક છે. ભાર આપવા માટે કે આ નાના જથ્થાના ગુણધર્મો અલગ છે. થર્મોડાયનેમિક્સનો પ્રથમ નિયમ પ્રક્રિયાની દિશા વિશે કોઈ ખ્યાલ આપતો નથી. તેથી, બીજી શરૂઆત જરૂરી છે. આ તે છે જે થર્મોડાયનેમિક્સમાં પ્રક્રિયાઓની દિશા દર્શાવે છે. થર્મોડાયનેમિક્સના બીજા નિયમના ઘણા ફોર્મ્યુલેશન છે. તેઓ સ્વરૂપમાં ભિન્ન છે, પરંતુ અર્થમાં તેઓ સમાન છે. અહીં થોમ્પસન (લોર્ડ કેલ્વિન) દ્વારા આપવામાં આવેલ એક ફોર્મ્યુલેશન છે:

થર્મોડાયનેમિક્સનો બીજો નિયમ

"એક પરિપત્ર પ્રક્રિયા અશક્ય છે, જેનું એકમાત્ર પરિણામ થર્મલ જળાશયની આંતરિક ઊર્જાને ઘટાડીને કાર્યનું ઉત્પાદન હશે."

ત્રીજું સ્થાન પ્રક્રિયાઓ પર પ્રતિબંધ મૂકે છે. ચાલો તેને ઘડીએ:

થર્મોડાયનેમિક્સનો ત્રીજો નિયમ

"સંપૂર્ણ શૂન્ય સુધી મર્યાદિત સંખ્યામાં કામગીરી દ્વારા પહોંચી શકાતું નથી."

થર્મોડાયનેમિક્સનું ગાણિતિક ઉપકરણ એ સિદ્ધાંત છે વિભેદક સ્વરૂપોઅને આંશિક વિભેદક સમીકરણો.

કાર્ય: એક આદર્શ મોનોટોમિક ગેસ ચક્રીય પ્રક્રિયામાંથી પસાર થાય છે (ફિગ. 1).

જો $V_1,\V_2,$ $p_1,\p_2$ જાણીતા હોય તો ચક્ર કાર્યક્ષમતા નક્કી કરો.

આ કિસ્સામાં ચક્રની કાર્યક્ષમતા ($\eta $) આ રીતે સરળતાથી નક્કી કરવામાં આવે છે:

\[\eta =\frac(A)(Q^+)\left(1.1\જમણે),\]

જ્યાં A એ ગોળાકાર પ્રક્રિયામાં ગેસ દ્વારા કરવામાં આવેલું કાર્ય છે, $Q^+$ એ હીટરમાંથી ગેસને પૂરી પાડવામાં આવતી ગરમીની માત્રા છે.

ગોળ પ્રક્રિયા (ચક્ર), જે ફિગ. 1 માં દર્શાવવામાં આવી છે, તેમાં ચાર ક્રમિક પ્રક્રિયાઓનો સમાવેશ થાય છે. ચાલો આપણે નક્કી કરીએ કે કઈ પ્રક્રિયાઓમાં ગરમી પૂરી પાડવામાં આવે છે. દેખીતી રીતે આ AB અને BC પ્રક્રિયાઓ છે.

AB પ્રક્રિયા આઇસોબેરિક છે. ચાલો થર્મોડાયનેમિક્સનો પ્રથમ નિયમ લખીએ અને આ પ્રક્રિયામાં ગેસ દ્વારા છોડવામાં આવતી ગરમીનું પ્રમાણ શોધીએ.

\[\triangle Q=\triangle U+A\\left(1.2\જમણે).\]

આઇસોબેરિક પ્રક્રિયામાં કામ આ રીતે મળી શકે છે:

તેથી, પ્રક્રિયા AB માટે અમને મળે છે:

એબી પ્રક્રિયા દરમિયાન ગેસની આંતરિક ઉર્જામાં ફેરફારનું સૂત્ર છે:

\[\ત્રિકોણ U_(AB)=\frac(i)(2)\nu R\left(T_2-T_1\જમણે)\left(1.5\જમણે).\]

$\left(T_2-T_1\right)$ શોધવા માટે, અમે આદર્શ ગેસ માટે મેન્ડેલીવ-ક્લિપરન સમીકરણનો ઉપયોગ કરીએ છીએ. ચાલો તેને બે અવસ્થાઓ (બિંદુ A અને B) માટે લખીએ:

\ \

ચાલો (1.7) અને (1.6) વચ્ચેનો તફાવત શોધીએ, આપણને મળે છે:

(1.8) ને (1.5) માં બદલીને, આપણને મળે છે:

\[\ત્રિકોણ U_(AB)=\frac(i)(2)p_1\left(V_2-V_1\જમણે)\left(1.9\જમણે).\]

તેથી, એબી પ્રક્રિયામાં ગેસ દ્વારા પ્રાપ્ત થતી ગરમીની માત્રા બરાબર છે:

\[\ત્રિકોણ Q_(AB)=p_1\left(V_2-V_1\right)+\frac(i)(2)p_1\left(V_2-V_1\જમણે)\ (1.10).\]

હવે આઇસોકોરિક પ્રક્રિયા BC ને ધ્યાનમાં લો. તેના માટે, ગેસમાં સ્થાનાંતરિત ગરમીનું પ્રમાણ બરાબર છે:

\[\ત્રિકોણ Q_(BC)=\ત્રિકોણ U_(BC\ )\left(1.11\જમણે).\]

કારણ કે આઇસોકોરિક પ્રક્રિયામાં કામ શૂન્ય છે. ચાલો આંતરિક ઊર્જામાં ફેરફારો શોધીએ આ પ્રક્રિયા, ડાયાગ્રામ બિંદુઓ B અને C માટે રાજ્યના આદર્શ ગેસ સમીકરણનો ઉપયોગ કરીને:

\ \

(1.7) માંથી (1.6) બાદ કરો, આપણને મળે છે:

(1.14) ને (1.11) માં બદલીને આપણને $\triangle Q_(BC)$ મળે છે:

\[\ત્રિકોણ Q_(BC)=\frac(i)(2)(p)_2-\ p_1)V_2(1.15).\]

અમે $Q^+:$ માટે એક અભિવ્યક્તિ મેળવીએ છીએ

ચાલો ગોળાકાર પ્રક્રિયામાં ગેસ દ્વારા કરવામાં આવેલું કાર્ય શોધીએ. તે બરાબર છે ભૌમિતિક અર્થલંબચોરસ ABCD ના ક્ષેત્રફળના અભિન્ન ભાગો, અમે તે મુજબ લખીએ છીએ:

\[\eta =\frac((p)_2-\ p_1)\left(V_2-V_1\જમણે))(\frac(i)(2)(p)_2V_2-p_1V_1)+p_1((V) _2-V_1))\ \left(1.18\જમણે).\]

જવાબ: સાયકલ કાર્યક્ષમતા આપેલ પ્રક્રિયાસૂત્ર દ્વારા વ્યક્ત થાય છે: $\eta =\frac((p)_2-\p_1)\left(V_2-V_1\જમણે))(\frac(i)(2)(p)_2V_2-p_1V_1)+ p_1(( V)_2-V_1))$.

સોંપણી: ફિગમાં. આકૃતિ 2 ઇસોથર્મ્સ AB અને CD દર્શાવે છે. પ્રક્રિયા I અને II માં ગેસ દ્વારા પ્રાપ્ત ગરમીની માત્રાની તુલના કરો.

જો AB અને CB ઇસોથર્મ્સ છે, તો I અને II પ્રક્રિયાઓમાં ગેસની આંતરિક ઊર્જામાં થતા ફેરફારો સમાન છે: \[\triangle U_I=\triangle U_(II)\left(2.1\right).\]

પ્રક્રિયા I માં કાર્ય શૂન્ય છે, કારણ કે પ્રક્રિયા આઇસોકોરિક છે, તેથી પ્રક્રિયા I માં ગેસ દ્વારા પ્રાપ્ત થતી ગરમીનું પ્રમાણ:

\[\triangle Q_I=\triangle U_I\\left(2.2\જમણે).\]

પ્રક્રિયા II માં, કાર્ય ગેસ દ્વારા કરવામાં આવે છે અને તે 0 ($A_I>0) કરતા વધારે છે.\ $

\[\ત્રિકોણ Q_(II)=\triangle U_(II)+A=\ત્રિકોણ U_I+A\ થી \ત્રિકોણ Q_(II)>\ત્રિકોણ Q_I\left(2.3\જમણે).\]

જવાબ: પ્રક્રિયા II માં ગેસ દ્વારા પ્રાપ્ત થતી ગરમીનું પ્રમાણ I પ્રક્રિયામાં ગેસ દ્વારા પ્રાપ્ત થતી ગરમીના પ્રમાણ કરતાં વધારે છે.

થર્મોડાયનેમિક્સ (ગ્રીક θέρμη - "ગરમી", δύναμις - "બળ") એ ભૌતિકશાસ્ત્રની એક શાખા છે જે મેક્રોસ્કોપિક સિસ્ટમ્સના સૌથી સામાન્ય ગુણધર્મો અને આવી સિસ્ટમોમાં ઊર્જાના ટ્રાન્સફર અને ટ્રાન્સફોર્મેશનની પદ્ધતિઓનો અભ્યાસ કરે છે.

થર્મોડાયનેમિક્સમાં, સ્થિતિઓ અને પ્રક્રિયાઓનો અભ્યાસ કરવામાં આવે છે, જેનું વર્ણન કરવા માટે તાપમાનનો ખ્યાલ રજૂ કરી શકાય છે. થર્મોડાયનેમિક્સ (T.) સામાન્યીકરણ પર આધારિત અસાધારણ વિજ્ઞાન છે અનુભવી હકીકતો. માં થતી પ્રક્રિયાઓ થર્મોડાયનેમિક સિસ્ટમ્સ ah, મેક્રોસ્કોપિક જથ્થાઓ (તાપમાન, દબાણ, ઘટકોની સાંદ્રતા) દ્વારા વર્ણવવામાં આવે છે, જે મોટી સંખ્યામાં કણો ધરાવતી સિસ્ટમોનું વર્ણન કરવા માટે રજૂ કરવામાં આવે છે, અને વ્યક્તિગત પરમાણુઓ અને પરમાણુઓને લાગુ પડતી નથી, ઉદાહરણ તરીકે, દાખલ કરવામાં આવેલા જથ્થાઓથી વિપરીત મિકેનિક્સ અથવા ઇલેક્ટ્રોડાયનેમિક્સ.

આધુનિક અસાધારણ થર્મોડાયનેમિક્સ એ એક કઠોર સિદ્ધાંત છે જે અનેક ધારણાઓના આધારે વિકસાવવામાં આવ્યો છે. જો કે, આ પોસ્ટ્યુલેટ્સ અને કણોની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાના ગુણધર્મો અને કાયદાઓ વચ્ચેનું જોડાણ જેમાંથી થર્મોડાયનેમિક સિસ્ટમ્સ બનાવવામાં આવે છે તે આપવામાં આવે છે. આંકડાકીય ભૌતિકશાસ્ત્ર. આંકડાકીય ભૌતિકશાસ્ત્રતે થર્મોડાયનેમિક્સની લાગુ પડતી મર્યાદાઓને સ્પષ્ટ કરવાનું પણ શક્ય બનાવે છે.

થર્મોડાયનેમિક્સના નિયમો છે સામાન્ય પાત્રઅને અણુ સ્તરે પદાર્થની રચનાની ચોક્કસ વિગતો પર આધાર રાખતા નથી. તેથી, માં થર્મોડાયનેમિક્સ સફળતાપૂર્વક લાગુ કરવામાં આવ્યું છે વિશાળ વર્તુળવિજ્ઞાન અને ટેકનોલોજીના મુદ્દાઓ, જેમ કે ઉર્જા, હીટ એન્જિનિયરિંગ, તબક્કા સંક્રમણો, રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ, પરિવહનની ઘટનાઓ અને બ્લેક હોલ પણ. થર્મોડાયનેમિક્સ ધરાવે છે મહત્વપૂર્ણસૌથી વધુ માટે વિવિધ વિસ્તારોભૌતિકશાસ્ત્ર અને રસાયણશાસ્ત્ર, રાસાયણિક તકનીક, એરોસ્પેસ એન્જિનિયરિંગ, મિકેનિકલ એન્જિનિયરિંગ, કોષ જીવવિજ્ઞાન, બાયોમેડિકલ એન્જિનિયરિંગ, સામગ્રી વિજ્ઞાન અને અર્થશાસ્ત્ર જેવા ક્ષેત્રોમાં પણ તેની એપ્લિકેશન શોધે છે.

થર્મોડાયનેમિક્સના ઇતિહાસમાં મહત્વપૂર્ણ વર્ષો

• વિજ્ઞાન તરીકે થર્મોડાયનેમિક્સની ઉત્પત્તિ જી. ગેલીલીના નામ સાથે સંકળાયેલી છે, જેમણે તાપમાનની વિભાવના રજૂ કરી હતી અને પ્રથમ ઉપકરણની રચના કરી હતી જેણે આસપાસના તાપમાનમાં ફેરફારને પ્રતિભાવ આપ્યો હતો (1597).
• ટૂંક સમયમાં જ જી.ડી. ફેરનહીટ (1714), આર. રેઉમુર (1730) અને એ. સેલ્સિયસ (1742) સર્જાયા તાપમાન ભીંગડાઆ સિદ્ધાંત અનુસાર.
• જે. બ્લેકે 1757માં ફ્યુઝન અને ઉષ્મા ક્ષમતા (1770)ની સુપ્ત ગરમીની વિભાવનાઓ પહેલેથી જ રજૂ કરી હતી. અને વિલ્કે (જે. વિલ્કે, 1772) એ 1 ગ્રામ પાણીને 1 °C દ્વારા ગરમ કરવા માટે જરૂરી ગરમીની માત્રા તરીકે કેલરીની વ્યાખ્યા રજૂ કરી.
• Lavoisier (A. Lavoisier) અને Laplace (P. Laplace) એ 1780 માં કેલરીમીટર ડિઝાઇન કર્યું (કેલરીમેટ્રી જુઓ) અને પ્રથમ વખત પ્રાયોગિક ધોરણે સ્પષ્ટીકરણ નક્કી કર્યું. સંખ્યાબંધ પદાર્થોની ગરમી ક્ષમતા.
• 1824 માં, એસ. કાર્નોટ (એન. એલ, એસ. કાર્નોટ) એ હીટ એન્જિનના સંચાલનના સિદ્ધાંતોના અભ્યાસને સમર્પિત એક કાર્ય પ્રકાશિત કર્યું.
• બી. ક્લેપીરોને થર્મોડાયનેમિક પ્રક્રિયાઓની ગ્રાફિકલ રજૂઆત કરી અને અનંત ચક્રની પદ્ધતિ વિકસાવી (1834).
• જી. હેલ્મહોલ્ટ્ઝે ઊર્જા સંરક્ષણના કાયદાની સાર્વત્રિક પ્રકૃતિની નોંધ લીધી (1847). ત્યારબાદ, આર. ક્લોસિયસ અને ડબલ્યુ. થોમસન (કેલ્વિન; ડબલ્યુ. થોમસન) એ થર્મોડાયનેમિક્સના સૈદ્ધાંતિક ઉપકરણને પદ્ધતિસર વિકસાવ્યું, જે થર્મોડાયનેમિક્સના પ્રથમ નિયમ અને થર્મોડાયનેમિક્સના બીજા નિયમ પર આધારિત છે.
• 2જી સિદ્ધાંતના વિકાસથી ક્લોસિયસ એન્ટ્રોપીની વ્યાખ્યા (1854) અને એન્ટ્રોપી (1865) વધારવાના કાયદાની રચના તરફ દોરી ગયા.
• જે. ડબલ્યુ. ગિબ્સ (1873) ના કાર્યથી શરૂ કરીને, જેમણે થર્મોડાયનેમિક પોટેન્શિયલ્સની પદ્ધતિનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો હતો, થર્મોડાયનેમિક સંતુલનનો સિદ્ધાંત વિકસાવવામાં આવ્યો હતો.
• 2 જી હાફમાં. 19મી સદી વાસ્તવિક વાયુઓના અભ્યાસ હાથ ધરવામાં આવ્યા હતા. વિશેષ ભૂમિકાટી. એન્ડ્રુઝના પ્રયોગો દ્વારા ભજવવામાં આવે છે, જેમણે પ્રથમ શોધ કરી હતી નિર્ણાયક બિંદુલિક્વિડ-વેપર સિસ્ટમ (1861), તેના અસ્તિત્વની આગાહી મેન્ડેલીવ (1860) દ્વારા કરવામાં આવી હતી.
• 19મી સદીના અંત સુધીમાં. મેળવવામાં મોટી પ્રગતિ થઈ છે નીચા તાપમાન, જેના પરિણામે O2, N2 અને H2 લિક્વિફાઇડ થયા હતા.
• 1902 માં, ગિબ્સે એક કાર્ય પ્રકાશિત કર્યું જેમાં તમામ મૂળભૂત થર્મોડાયનેમિક સંબંધો આંકડાકીય ભૌતિકશાસ્ત્રના માળખામાં મેળવવામાં આવ્યા હતા.
• ગતિ વચ્ચેનું જોડાણ શરીરના ગુણધર્મો અને તેના થર્મોડાયનેમિક. લાક્ષણિકતાઓ એલ. ઓનસેજર (એલ. ઓનસેજર, 1931) દ્વારા સ્થાપિત કરવામાં આવી હતી.
• 20મી સદીમાં થર્મોડાયનેમિક્સનો સઘન અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો હતો ઘન, તેમજ ક્વોન્ટમ પ્રવાહી અને પ્રવાહી સ્ફટિકો, જેમાં વિવિધ તબક્કાના સંક્રમણો થાય છે.
• એલ.ડી. લેન્ડૌ (1935-37) વિકસિત સામાન્ય સિદ્ધાંતસ્વયંસ્ફુરિત સમપ્રમાણતા ભંગની વિભાવના પર આધારિત તબક્કા સંક્રમણો.

થર્મોડાયનેમિક્સના વિભાગો

આધુનિક અસાધારણ થર્મોડાયનેમિક્સ સામાન્ય રીતે સંતુલન (અથવા શાસ્ત્રીય) થર્મોડાયનેમિક્સમાં વિભાજિત થાય છે, જે સંતુલન થર્મોડાયનેમિક સિસ્ટમ્સ અને આવી સિસ્ટમ્સમાં પ્રક્રિયાઓનો અભ્યાસ કરે છે, અને નોન ઇક્વિલિબ્રિયમ થર્મોડાયનેમિક્સ, જે સિસ્ટમ્સમાં અસંતુલન પ્રક્રિયાઓનો અભ્યાસ કરે છે જેમાં થર્મોડાયનેમિક અને થર્મોડાયનેમિક માંથી વિચલન નાના થર્મોડાયનેમિક માટે પરવાનગી આપે છે. વર્ણન

સંતુલન (અથવા શાસ્ત્રીય) થર્મોડાયનેમિક્સ

સંતુલન થર્મોડાયનેમિક્સમાં, આંતરિક ઊર્જા, તાપમાન, એન્ટ્રોપી અને રાસાયણિક સંભવિત જેવા ચલો રજૂ કરવામાં આવે છે. તે બધાને થર્મોડાયનેમિક પરિમાણો (જથ્થાઓ) કહેવામાં આવે છે. ક્લાસિકલ થર્મોડાયનેમિક્સ થર્મોડાયનેમિક પેરામીટર્સ વચ્ચે અને તેની સાથેના સંબંધોનો અભ્યાસ કરે છે ભૌતિક જથ્થો, ભૌતિકશાસ્ત્રની અન્ય શાખાઓમાં ધ્યાનમાં લેવામાં આવે છે, ઉદાહરણ તરીકે, ગુરુત્વાકર્ષણ સાથે અથવા ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક ક્ષેત્ર, સિસ્ટમ પર કામ કરે છે. રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓઅને તબક્કાના સંક્રમણોનો પણ અભ્યાસના વિષયમાં સમાવેશ થાય છે ક્લાસિકલ થર્મોડાયનેમિક્સ. જો કે, થર્મોડાયનેમિક સિસ્ટમ્સનો અભ્યાસ જેમાં નોંધપાત્ર ભૂમિકા ભજવવામાં આવે છે રાસાયણિક પરિવર્તન, વિષયની રચના કરે છે રાસાયણિક થર્મોડાયનેમિક્સ, અને થર્મલ એન્જિનિયરિંગ ટેકનિકલ એપ્લિકેશન્સ સાથે વ્યવહાર કરે છે.

ક્લાસિકલ થર્મોડાયનેમિક્સમાં નીચેના વિભાગોનો સમાવેશ થાય છે:

• થર્મોડાયનેમિક્સના સિદ્ધાંતો (ક્યારેક તેને કાયદા અથવા સ્વયંસિદ્ધ પણ કહેવાય છે)
• સ્થિતિના સમીકરણો અને સરળ થર્મોડાયનેમિક સિસ્ટમ્સના ગુણધર્મો (આદર્શ ગેસ, વાસ્તવિક ગેસ, ડાઇલેક્ટ્રિક્સ અને ચુંબક, વગેરે.)
• સાથે સંતુલન પ્રક્રિયાઓ સરળ સિસ્ટમો, થર્મોડાયનેમિક ચક્ર
• અસંતુલન પ્રક્રિયાઓ અને બિન-ઘટતી એન્ટ્રોપીનો કાયદો
• થર્મોડાયનેમિક તબક્કાઓ અને તબક્કા સંક્રમણો

વધુમાં, આધુનિક થર્મોડાયનેમિક્સમાં નીચેના ક્ષેત્રોનો પણ સમાવેશ થાય છે:

• બહિર્મુખ વિશ્લેષણ પર આધારિત થર્મોડાયનેમિક્સની સખત ગાણિતિક રચના
• બિન-વ્યાપક થર્મોડાયનેમિક્સ

સિસ્ટમોમાં જે થર્મોડાયનેમિક સંતુલનની સ્થિતિમાં નથી, ઉદાહરણ તરીકે, ગતિશીલ ગેસમાં, સ્થાનિક સંતુલન અંદાજનો ઉપયોગ કરી શકાય છે, જેમાં એવું માનવામાં આવે છે કે સંતુલન થર્મોડાયનેમિક સંબંધો સિસ્ટમના દરેક બિંદુએ સ્થાનિક રીતે સંતુષ્ટ છે.

બિનસંતુલન થર્મોડાયનેમિક્સ

બિન-સંતુલન થર્મોડાયનેમિક્સમાં, ચલોને માત્ર અવકાશમાં જ નહીં, પણ સમયમાં પણ સ્થાનિક ગણવામાં આવે છે, એટલે કે, સમય તેના સૂત્રો સ્પષ્ટપણે દાખલ કરી શકે છે. ચાલો નોંધ લઈએ કે ફ્યુરિયરનું શાસ્ત્રીય કાર્ય થર્મલ વાહકતાના મુદ્દાઓને સમર્પિત છે “ વિશ્લેષણાત્મક સિદ્ધાંતગરમી" (1822) માત્ર બિનસંતુલન થર્મોડાયનેમિક્સના ઉદભવમાં જ નહીં, પણ કાર્નોટના કાર્યમાં પણ આગળ હતી "રિફ્લેક્શન્સ ઓન ચાલક બળઅગ્નિ અને આ બળને વિકસાવવામાં સક્ષમ મશીનો વિશે" (1824), જે ક્લાસિકલ થર્મોડાયનેમિક્સના ઇતિહાસમાં પ્રારંભિક બિંદુ માનવામાં આવે છે.

થર્મોડાયનેમિક્સની મૂળભૂત વિભાવનાઓ

થર્મોડાયનેમિક સિસ્ટમ- ક્રિયાપ્રતિક્રિયામાં શરીર અથવા શરીરનું જૂથ, માનસિક રીતે અથવા વાસ્તવમાં પર્યાવરણથી અલગ.

સજાતીય સિસ્ટમ- એક એવી સિસ્ટમ કે જેમાં સિસ્ટમના ભાગોને અલગ કરતી કોઈ સપાટીઓ (તબક્કાઓ) નથી કે જે ગુણધર્મોમાં ભિન્ન હોય.

વિજાતીય સિસ્ટમ- એક સિસ્ટમ કે જેમાં સિસ્ટમના ભાગોને અલગ કરતી સપાટીઓ હોય છે જે ગુણધર્મોમાં ભિન્ન હોય છે.

તબક્કો- વિજાતીય સિસ્ટમના સજાતીય ભાગોનો સમૂહ, ભૌતિક અને રાસાયણિક ગુણધર્મોમાં સમાન, દૃશ્યમાન ઇન્ટરફેસ દ્વારા સિસ્ટમના અન્ય ભાગોથી અલગ.

અલગ સિસ્ટમ- એક એવી સિસ્ટમ કે જે પર્યાવરણ સાથે દ્રવ્ય અથવા ઊર્જાનું વિનિમય કરતી નથી.

બંધ સિસ્ટમ- એક સિસ્ટમ કે જે પર્યાવરણ સાથે ઊર્જાનું વિનિમય કરે છે, પરંતુ પદાર્થનું વિનિમય કરતું નથી.

ખોલો સિસ્ટમ- એક સિસ્ટમ કે જે પર્યાવરણ સાથે દ્રવ્ય અને ઊર્જા બંનેનું વિનિમય કરે છે.

તમામ ભૌતિક અને સંપૂર્ણતા રાસાયણિક ગુણધર્મોસિસ્ટમ તેને લાક્ષણિકતા આપે છે થર્મોડાયનેમિક સ્થિતિ. વિચારણા હેઠળની સિસ્ટમની કોઈપણ મેક્રોસ્કોપિક મિલકતને દર્શાવતી તમામ માત્રા છે સ્થિતિ પરિમાણો. તે પ્રાયોગિક રીતે સ્થાપિત કરવામાં આવ્યું છે કે આપેલ સિસ્ટમને સ્પષ્ટપણે દર્શાવવા માટે ચોક્કસ સંખ્યાના પરિમાણોનો ઉપયોગ કરવો જરૂરી છે સ્વતંત્ર; અન્ય તમામ પરિમાણોને સ્વતંત્ર પરિમાણોના કાર્યો તરીકે ગણવામાં આવે છે. તાપમાન, દબાણ, સાંદ્રતા, વગેરે જેવા પરિમાણો કે જે સીધા માપી શકાય છે, તે સામાન્ય રીતે સ્વતંત્ર રાજ્ય પરિમાણો તરીકે પસંદ કરવામાં આવે છે. સિસ્ટમની થર્મોડાયનેમિક સ્થિતિમાં કોઈપણ ફેરફાર (ઓછામાં ઓછા એક રાજ્ય પરિમાણમાં ફેરફાર) છે થર્મોડાયનેમિક પ્રક્રિયા.

ઉલટાવી શકાય તેવી પ્રક્રિયા- એક પ્રક્રિયા કે જે પર્યાવરણમાં બાકી રહેલા કોઈપણ ફેરફારો વિના સિસ્ટમને તેની મૂળ સ્થિતિમાં પાછા આવવા દે છે.

સંતુલન પ્રક્રિયા- એક પ્રક્રિયા જેમાં સિસ્ટમ સંતુલન અવસ્થાઓની સતત શ્રેણીમાંથી પસાર થાય છે.

ઉર્જા- સિસ્ટમની કાર્ય કરવાની ક્ષમતાનું માપ; સામાન્ય ગુણાત્મક માપચળવળ અને પદાર્થની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા. ઊર્જા એ પદાર્થની અભિન્ન મિલકત છે. ચોક્કસ દળોના ક્ષેત્રમાં શરીરની સ્થિતિને કારણે થતી સંભવિત ઉર્જા અને અવકાશમાં શરીરની સ્થિતિમાં ફેરફારને કારણે ગતિ ઊર્જા વચ્ચે ભેદ પાડવામાં આવે છે.

સિસ્ટમની આંતરિક ઊર્જા- ગતિનો સરવાળો અને સંભવિત ઊર્જાબધા કણો કે જે સિસ્ટમ બનાવે છે. કોઈ પણ સિસ્ટમની આંતરિક ઊર્જાને તેની તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરી શકે છે સંપૂર્ણ ઊર્જાસમગ્ર સિસ્ટમની ગતિ અને સંભવિત ઊર્જાને બાદ કરો.

ઊર્જા સંક્રમણના સ્વરૂપો

એક સિસ્ટમમાંથી બીજી સિસ્ટમમાં ઊર્જા ટ્રાન્સફરના સ્વરૂપોને બે જૂથોમાં વિભાજિત કરી શકાય છે.

1. પ્રથમ જૂથમાં બે સંપર્ક કરતી સંસ્થાઓના પરમાણુઓની અસ્તવ્યસ્ત અથડામણ દ્વારા ગતિના સંક્રમણના માત્ર એક સ્વરૂપનો સમાવેશ થાય છે, એટલે કે. થર્મલ વહન દ્વારા (અને તે જ સમયે રેડિયેશન દ્વારા). આ રીતે પ્રસારિત ચળવળનું માપ ગરમી છે. ગરમી એ અણુઓની અવ્યવસ્થિત હિલચાલ દ્વારા ઉર્જા ટ્રાન્સફરનું એક સ્વરૂપ છે.
2. બીજા જૂથમાં સમાવેશ થાય છે વિવિધ આકારોચળવળ સંક્રમણ, સામાન્ય લક્ષણજે ખૂબ જ આવરી લેતી જનતાની હિલચાલ છે મોટી સંખ્યાઓપરમાણુઓ (એટલે ​​​​કે મેક્રોસ્કોપિક માસ), કોઈપણ દળોના પ્રભાવ હેઠળ. આ ગુરુત્વાકર્ષણ ક્ષેત્રમાં શરીરને ઉપાડવા, મોટામાંથી ચોક્કસ માત્રામાં વીજળીનું ટ્રાન્સફર છે. ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક સંભવિતઓછા પ્રમાણમાં, દબાણ હેઠળ ગેસનું વિસ્તરણ, વગેરે. સામાન્ય માપઆવી પદ્ધતિઓ દ્વારા પ્રસારિત થતી ચળવળ એ કાર્ય છે - કણોના આદેશિત ચળવળ દ્વારા ઊર્જા સ્થાનાંતરણનું એક સ્વરૂપ.

ગરમી અને કાર્ય ગુણાત્મક અને જથ્થાત્મક રીતે આપેલ ભાગમાંથી ગતિના પ્રસારણના બે અલગ અલગ સ્વરૂપો દર્શાવે છે. ભૌતિક વિશ્વબીજાને. ગરમી અને કામ શરીરમાં સમાવી શકાતા નથી. ગરમી અને કાર્ય ત્યારે જ ઉદ્ભવે છે જ્યારે કોઈ પ્રક્રિયા થાય છે અને માત્ર પ્રક્રિયાને જ લાક્ષણિકતા આપે છે. સ્થિર પરિસ્થિતિઓ હેઠળ, ગરમી અને કાર્ય અસ્તિત્વમાં નથી. ઉષ્મા અને કાર્ય વચ્ચેનો તફાવત, થર્મોડાયનેમિક્સ દ્વારા પ્રારંભિક સ્થિતિ તરીકે સ્વીકારવામાં આવે છે, અને કામ કરવા માટે ગરમીનો વિરોધ માત્ર ઘણા અણુઓ ધરાવતા શરીર માટે જ અર્થપૂર્ણ છે, કારણ કે એક પરમાણુ માટે અથવા થોડા અણુઓના સંગ્રહ માટે, ગરમી અને કાર્યની વિભાવનાઓ તેમનો અર્થ ગુમાવે છે. તેથી, થર્મોડાયનેમિક્સ માત્ર મોટી સંખ્યામાં પરમાણુઓ ધરાવતા શરીરને જ ગણે છે, એટલે કે. કહેવાતી મેક્રોસ્કોપિક સિસ્ટમ્સ.

થર્મોડાયનેમિક્સના ત્રણ સિદ્ધાંતો

થર્મોડાયનેમિક્સના સિદ્ધાંતો એ થર્મોડાયનેમિક્સના અંતર્ગત ધારણાઓનો સમૂહ છે. આ જોગવાઈઓ પરિણામે સ્થાપિત કરવામાં આવી હતી વૈજ્ઞાનિક સંશોધનઅને પ્રાયોગિક રીતે સાબિત થયા છે. તેઓને અનુમાન તરીકે સ્વીકારવામાં આવે છે જેથી થર્મોડાયનેમિક્સ સ્વયંસિદ્ધ રીતે બાંધી શકાય.

થર્મોડાયનેમિક્સના સિદ્ધાંતોની જરૂરિયાત એ હકીકતને કારણે છે કે થર્મોડાયનેમિક્સ સિસ્ટમના મેક્રોસ્કોપિક પરિમાણોને તેમની માઇક્રોસ્કોપિક રચના સંબંધિત ચોક્કસ ધારણાઓ વિના વર્ણવે છે. આંકડાકીય ભૌતિકશાસ્ત્ર આંતરિક માળખાના મુદ્દાઓ સાથે વ્યવહાર કરે છે.

થર્મોડાયનેમિક્સના સિદ્ધાંતો સ્વતંત્ર છે, એટલે કે, તેમાંથી કોઈ પણ અન્ય સિદ્ધાંતોમાંથી મેળવી શકાતું નથી. મિકેનિક્સમાં ન્યૂટનના ત્રણ નિયમોના એનાલોગ થર્મોડાયનેમિક્સમાં ત્રણ સિદ્ધાંતો છે, જે "ગરમી" અને "કાર્ય" ની વિભાવનાઓને જોડે છે:

• થર્મોડાયનેમિક્સના શૂન્ય નિયમ થર્મોડાયનેમિક સંતુલનની વાત કરે છે.
• થર્મોડાયનેમિક્સનો પ્રથમ નિયમ ઊર્જાના સંરક્ષણ વિશે છે.
• થર્મોડાયનેમિક્સનો બીજો નિયમ ગરમીના પ્રવાહ વિશે છે.
• થર્મોડાયનેમિક્સનો ત્રીજો નિયમ નિરપેક્ષ શૂન્યની અપ્રાપ્યતા વિશે છે.

થર્મોડાયનેમિક્સનો સામાન્ય (શૂન્ય) કાયદો

થર્મોડાયનેમિક્સનો સામાન્ય (શૂન્ય) કાયદો જણાવે છે કે બે સંસ્થાઓ થર્મલ સંતુલનની સ્થિતિમાં હોય છે જો તેઓ એકબીજાને ગરમી ટ્રાન્સફર કરી શકે, પરંતુ આવું થતું નથી.

અનુમાન લગાવવું મુશ્કેલ નથી કે જો બે શરીરનું તાપમાન સમાન હોય તો એકબીજામાં ગરમીનું સ્થાનાંતરણ થતું નથી. ઉદાહરણ તરીકે, જો તમે તાપમાન માપો છો માનવ શરીરથર્મોમીટરનો ઉપયોગ કરીને (માપના અંતે, વ્યક્તિનું તાપમાન અને થર્મોમીટરનું તાપમાન સમાન હશે), અને પછી, સમાન થર્મોમીટરનો ઉપયોગ કરીને, બાથરૂમમાં પાણીનું તાપમાન માપો, અને તે બહાર આવશે. કે બંને તાપમાન એકરૂપ થાય છે (થર્મોમીટર સાથે વ્યક્તિનું થર્મલ સંતુલન અને પાણી સાથેનું થર્મોમીટર જોવામાં આવે છે), આપણે કહી શકીએ કે વ્યક્તિ થર્મલ સંતુલનબાથરૂમમાં પાણી સાથે.

ઉપરથી, આપણે ઘડી શકીએ છીએ શૂન્ય શરૂઆતથર્મોડાયનેમિક્સ નીચે મુજબ છે: બે શરીર કે જે ત્રીજા સાથે થર્મલ સંતુલનમાં છે તે પણ એકબીજા સાથે થર્મલ સંતુલનમાં છે.

સાથે ભૌતિક બિંદુદૃષ્ટિની દ્રષ્ટિએ, થર્મોડાયનેમિક્સનો શૂન્ય નિયમ સંદર્ભ બિંદુને સુયોજિત કરે છે, કારણ કે સમાન તાપમાન ધરાવતા બે સંસ્થાઓ વચ્ચે ગરમીનો પ્રવાહ નથી. બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, આપણે કહી શકીએ કે તાપમાન થર્મલ સંતુલનના સૂચક કરતાં વધુ કંઈ નથી.

થર્મોડાયનેમિક્સનો પ્રથમ નિયમ

થર્મોડાયનેમિક્સનો પ્રથમ નિયમ એ થર્મલ ઊર્જાના સંરક્ષણનો કાયદો છે, જે જણાવે છે કે ઉર્જા નિશાન છોડ્યા વિના અદૃશ્ય થતી નથી.

સિસ્ટમ કાં તો થર્મલ ઉર્જા Qને શોષી શકે છે અથવા છોડે છે, જ્યારે સિસ્ટમ આસપાસના શરીર પર W કામ કરે છે (અથવા આસપાસના શરીર સિસ્ટમ પર કામ કરે છે), અને સિસ્ટમની આંતરિક ઊર્જા, જેનું પ્રારંભિક મૂલ્ય Uninit હતું, તે હશે. Uend ની સમાન:

Uend-Ustart = ΔU = Q-W

થર્મલ ઊર્જા, કાર્ય અને આંતરિક ઊર્જા નક્કી કરે છે કુલ ઊર્જાસિસ્ટમ, જે સતત મૂલ્ય છે. જો સિસ્ટમમાંથી થર્મલ ઉર્જા Q ની ચોક્કસ માત્રામાં ટ્રાન્સફર કરવામાં આવે છે (દૂર લેવામાં આવે છે), કામની ગેરહાજરીમાં, સિસ્ટમ Uની આંતરિક ઊર્જાનું પ્રમાણ Q દ્વારા વધશે (ઘટાડો).

થર્મોડાયનેમિક્સનો બીજો નિયમ

થર્મોડાયનેમિક્સનો બીજો નિયમ જણાવે છે કે થર્મલ એનર્જી માત્ર એક જ દિશામાં આગળ વધી શકે છે - વધુ તાપમાન ધરાવતા શરીરમાંથી નીચા તાપમાનવાળા શરીરમાં, પરંતુ તેનાથી ઊલટું નહીં.

થર્મોડાયનેમિક્સનો ત્રીજો નિયમ

થર્મોડાયનેમિક્સનો ત્રીજો નિયમ જણાવે છે કે મર્યાદિત સંખ્યામાં તબક્કાઓનો સમાવેશ કરતી કોઈપણ પ્રક્રિયા તેને સંપૂર્ણ શૂન્યના તાપમાન સુધી પહોંચવા દેશે નહીં (જોકે તે નોંધપાત્ર રીતે સંપર્ક કરી શકાય છે).